噴氣織機輔助噴嘴結構參數對流場特性的影響

李斯湖， 沈 敏， 白 聰， 陳 亮

(武漢紡織大學 數字化紡織裝備湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430200)

噴氣織機具有寬幅、高速、高生產效率等優點，應用市場廣闊。噴氣織機采用主、輔噴嘴與異形筘相結合的引緯方式，輔助噴嘴保證緯紗順利通過梭口，是引緯系統的關鍵器件。當噴氣織機的幅寬為2.8 m時，需要40個左右的輔助噴嘴一起供氣完成引緯，輔助噴嘴用氣量約占整機氣耗量的70%左右[1]。由此可見，輔助噴嘴結構直接影響噴氣織機引緯速度、能耗和織物質量。現有輔助噴嘴存在出口風速偏低、集束性差及擴散快的缺陷，嚴重影響了輔助噴嘴氣流射入主噴嘴氣流時的有效速度[2]。近年來，國內外學者對輔助噴嘴流場特性展開研究，優化輔助噴嘴結構，降低能耗。

2009年，Meulemeester等[3]對輔助噴嘴流場進行了數值模擬，并采用高速攝影機對數值結果進行了驗證。2010年，Belforte等[4]對不同結構的單圓孔和多圓孔輔助噴嘴流速和耗氣量進行了測試，發現相同橫截面積，導管較大單圓孔輔助噴嘴引緯效率更高。2016年，KHIANI等[5]測試了5種不同噴氣織機輔助噴嘴的耗氣量，發現輔助噴嘴的啟閉時間對耗氣量有很大的影響。由于輔助噴嘴噴射角、安裝角和噴嘴結構中復雜過度曲面等多種因素影響，由噴嘴噴出的射流方向會傾斜一定角度，這給測試帶來了一定的困難。實驗方法既耗時又耗力，也很難得到速度場分布，在工程實踐中難以采用該方法研究輔助噴嘴流場特性。相關研究人員運用計算流體力學(CFD)軟件分析輔助噴嘴流場，積累了一些成果。陳革等[6]對單圓孔、雙圓孔、單矩形孔等不同孔形的輔助噴嘴流場進行數值求解。有研究者對單圓孔輔助噴嘴流場進行了數值求解[7-8]，對單圓孔、雙圓孔和19圓孔輔助噴嘴流場進行了數值模擬，并通過輔助噴嘴氣流特性實驗驗證了結果的正確性[9]。張亮等[10]對單圓孔、雙圓孔、矩形孔3種輔助噴嘴流場進行數值仿真，得到了出口射流中心線的速度。陳巧蘭等[11-13]以單圓孔輔助噴嘴為基礎，研究在圓形噴孔面積相等的條件下，不同孔數、孔徑及噴孔排列方式對輔助噴嘴噴射性能及耗氣量的影響。但是，現有的研究大都局限于形狀簡單的輔助噴嘴，如單圓孔及其組合、矩形孔等，對復雜的星型孔輔助噴嘴流場特性研究較少。雖然有學者對單圓孔輔助噴嘴耗氣量進行了研究，但是對非圓形輔助噴嘴，特別是形狀復雜的輔助噴嘴耗氣量研究成果不多。

常用的噴氣織機輔助噴嘴分為圓形孔和非圓形孔。圓形孔中有單孔、雙孔和多孔，非圓形孔中有矩形、正三角形孔和星形孔等結構。其中圓形多孔噴嘴種類最多，根據數量劃分，多孔輔助噴嘴主要類型有：雙圓孔、三圓孔、四圓孔、五圓孔、六圓孔、七圓孔、八圓孔輔助噴嘴等。根據圓孔排列方式可分為環形排列方式、中心排列方式等。如果將圓孔數量和圓孔排列方式進行組合，可以得到一系列不同結構的多孔輔助噴嘴，數量繁多，本文暫不討論圓形多孔輔助噴嘴。

本文旨在運用Fluent軟件對輔助噴嘴引緯流場三維模型進行數值模擬，討論單圓孔、三角形孔和星形孔3種不同的輔助噴嘴結構參數、供氣壓力對流場速度分布、耗氣量和引緯平穩性的影響規律。

1 輔助噴嘴結構及流場模型

1.1 輔助噴嘴幾何模型

輔助噴嘴根據孔形狀可分為圓孔和非圓孔2類。其中非圓孔有矩形孔、正三角形孔、星形孔。本文選取單圓孔、正三角形孔、星形孔3種孔形輔助噴嘴作為研究對象。

由于輔助噴嘴結構比較復雜，先用Solidworks繪制出流場的三維幾何模型。輔助噴嘴圓管區長度為12 mm，過渡區長度為10 mm，扁管區長度為18 mm。單圓孔孔形輔助噴嘴如圖1所示。單圓孔直徑為1.5 mm，噴射角為6°, 入口直徑為3.2 mm，壁厚為0.4 mm。

圖1 單圓孔輔助噴嘴圖Fig.1 Single cicular hole auxiliary nozzle.(a) Circular hole; (b) Sketch map of section structure

正三角形孔如圖2所示，邊長都為2 mm。噴射角為6°，入口直徑為3.2 mm，壁厚0.4 mm。

圖2 正三角形孔輔助噴嘴圖Fig.2 Triangle hole auxiliary nozzle.(a) Triangle hole; (b) Sketch map of section structure

圖3示出星形孔輔助噴嘴的結構，共由5排小圓孔組成，圓孔的直徑為0.3 mm，由中心沿直線向外陣列，單排圓孔數為5個，共5排，每排相隔的角度為60°，噴射角為6°。

圖3 星形孔輔助噴嘴圖Fig.3 Star hole auxiliary nozzle. (a) Star hole; (b) Sketch map of section structure

1.2 輔助噴嘴流場建模

采用Solidworks建立輔助噴嘴流場的三維計算模型，并對其進行網格劃分。因輔助噴嘴流場結構對稱，為減少計算量，只對一半的流場模型進行網格劃分。由于輔助噴嘴幾何模型曲面較多，模型復雜，采用專業的網格處理軟件Hypermesh進行劃分，網格總數約為4.2×106，生成的單圓孔輔助噴嘴流場網格模型如圖4所示。

圖4 輔助噴嘴網格模型和邊界條件Fig.4 Mesh model of flow field of auxiliary nozzle and boundary condition setting

1.3 邊界條件設置

輔助噴嘴流場所需設置的邊界條件為壓力入口、壓力出口、對稱面、壁面。其中輔助噴嘴底部設定為壓力入口，外部遠場出口處定義為壓力出口，中間為對稱面，其他面為默認壁面。

2 數值求解

利用Fluent進行數值求解，壓縮空氣經輔助噴嘴噴出加速后由噴孔噴出，從較小的速度逐漸加速直到峰值，進入異形筘后，逐漸衰減。噴管內流場為可壓縮黏性流體，外流場屬于高雷諾數的湍流，并且流動流線彎曲程度大，應變率及雷諾數Re值高，所以選擇RNGκ-ε雙方程湍流模型。采用基于密度的求解器，可以獲得較高精度的解。表1示出不同供氣壓力下的壓力入口邊界相關參數。

表1 不同供氣壓力下的壓力入口條件Tab.1 Pressure inlet conditions under different gas supply pressures

3 結果分析

3.1 單圓孔輔助噴嘴模擬與實驗結果對比

為了驗證數值仿真結果的準確性，與BELFORTE等[4]通過實驗得到的D型單圓孔輔助噴嘴徑向速度等效圓直徑進行比較，D型輔助噴嘴是單圓孔輔助噴嘴，出口直徑為1.5 mm。根據D型輔助噴嘴參數繪制了單圓孔輔助噴嘴三維模型，如圖1所示。通過數值仿真得到供氣壓力為0.28 MPa, 距離噴口40 mm處的等效圓直徑。將數值模擬結果與BELFORTE等[4]通過實驗得到的D型單圓孔噴嘴等效圓直徑進行比較，結果如表2所示。可以看出，數值模擬結果與實驗值基本相同。

表2 截面數值模擬與實驗值等效圓直徑對比Tab.2 Comparison for equivalent diameter of numerical values

為了驗證數值仿真結果，并將數值仿真得到的出口直徑為1.5 mm的單圓孔輔助噴嘴中心線速度與王衛華等[9]實驗測量值進行比較。供氣壓力分別為0.2、0.3、0.4 MPa時，單圓孔輔助噴嘴中心線上流速數值結果如圖5所示。圖中實驗結果是根據文獻[9]測量出口直徑為1.5 mm單圓孔輔助噴嘴位于0、10、15、20、25、30、40、45 mm這8點的速度值得到的。比較圖5中出口直徑為1.5 mm單圓孔輔助噴嘴數值模擬結果與實驗值可以看到, 靠近出口處實驗測試值小于數值模擬值，這是由于測試所用的畢托管尺寸會在一定程度上影響流場特性，并且畢托管感測頭需要與輔助噴嘴傾斜角度保持一致，實際安裝時難以保證，從而導致近輔助噴嘴出口位置的誤差較大。從圖5可見，供氣壓力為0.2 MPa時，數值模擬結果與實驗值最為接近，當供氣壓力為0.3、0.4 MPa時，數值模擬結果與實驗值存在一定差距，但是速度總體衰減趨勢也能很好的與實驗值吻合。這表明建立的流場數值模型計算結果是可靠的，可以用來預測不同結構輔助噴嘴流場特性。

圖5 不同供氣壓力單圓孔輔助噴嘴中心線速度仿真值與實驗值比較Fig.5 Comparison between simulation velocity and experimental velocity in center line for single hole auxiliary nozzle under different air supply pressures

3.2 輔助噴嘴孔形對速度分布影響

圖6示出供氣壓力在0.3 MPa時3種不同孔形的速度云圖分布。可見, 單圓孔輔助噴嘴核心速度高達392 m/s，正三角形孔輔助噴嘴核心速度高達382 m/s, 星形孔核心速度高達429 m/s，均為超音速氣流。其中星形孔的出口流速更大，射流的勢流核心區長度更長，相較于單圓孔和正三角形孔射流中心偏離噴口幾何軸線角度更小，具有較好的集束性。

圖6 0.3 MPa條件下3種輔助噴嘴模型速度分布云圖Fig.6 Velocity contours of three auxiliary nozzle models under 0.3 MPa. (a) Single circular hole auxiliary nozzle; (b) Triangle hole auxiliary nozzle; (c) Star hole auxiliary nozzle

圖7示出供氣壓力在0.4 MPa時3種不同孔形的速度云圖分布。可見，當供氣壓力從0.3 MPa增加到0.4 MPa時，3種輔助噴嘴出口流速都迅速增大，出口處產生了更為劇烈的湍流。隨著入口壓力的增加，3種結構輔助噴嘴射流的勢流核心區長度有明顯的增長，隨著中心軸線上距離的增加，輔助噴嘴出口噴出的射流在空氣中向斜向上方向逐漸擴大。

3.3 供氣壓力對氣流中心速度影響

圖8示出3種孔形的輔助噴嘴在0.2～0.4 MPa壓力下的中心軸線流速分布。可以看出，單圓孔、正三角形孔和星形孔噴口的輔助噴嘴氣流中心線速度曲線變化規律基本相同。在輔助噴嘴出口附近，速度突然增大，然后持續下降。

Adanur等[14-15]已對單孔噴嘴流場進行了分析，對流場中紗線飛行狀態作了相應研究，并結合相關實驗驗證了噴嘴噴孔形狀對引緯氣流速度的分布以及變化趨勢影響不大。這是因為輔助噴嘴實際上是一種漸縮噴管，不管如何改變噴口形狀，都是將高壓空氣從縮小的孔口射入空氣介質，其本質都屬于紊動射流。當壓縮空氣在進入噴嘴入口后，噴管截面逐漸縮小，遵循流體在管中運動規律，“截面小處流速大，截面大處流速小”，氣流速度不斷加速，在噴口處氣流速度達到最大值變為超音速，而壓強減小，當氣體的壓強逐漸衰減到一個大氣壓之后，噴出的射流就會在大氣中自由擴散，隨著與噴孔出口距離的增加，射流逐漸加大擴散，速度不斷衰減。中心速度曲線的小幅度波動，是因為壓強降低，產生了膨脹波，由膨脹波和壓縮波交替出現造成的。

圖7 0.4 MPa條件下3種輔助噴嘴模型速度分布云圖Fig.7 Velocity contours of three auxiliary nozzle models under 0.4 MPa. (a) Single circular hole auxiliary nozzle; (b) Triangle hole auxiliary nozzle; (c) Star hole auxiliary nozzle

圖8 不同壓力條件下3種輔助噴嘴中心軸線氣流速度曲線圖Fig.8 Velocity on axis of auxiliary nozzles at different pressures. (a) Single circular hole auxiliary nozzle; (b) Triangle hole auxiliary nozzle; (c) Star hole auxiliary nozzle

圖9 0.3 MPa壓力條件下不同輔助噴嘴孔徑中心線速度曲線圖Fig.9 Chart of airflow velocity along center line with various pore of auxiliary nozzles under 0.3 MPa. (a) Single circular hole auxiliary nozzle;(b) Triangular hole auxiliary nozzle; (c) Star hole auxiliary nozzle

對圖8中在中心軸線40 mm處的流速進行比較發現：在0.2 MPa的供氣壓力下，中心軸線上速度低于100 m/s，不適合高速氣流引緯；在0.3 MPa的供氣壓力下，中心軸線上速度達到100 m/s，氣耗量適中，適用于大多數織物的高速引緯；在0.4 MPa的供氣壓力下，中心軸線上速度達到130 m/s，比較適合重磅織物的引緯，但氣耗量大。綜上可知，0.3 MPa基本滿足高速引緯要求，是較為合適的供氣壓力。再增大供氣壓力，雖然能提高流速，但也會增加流動的紊流強度，導致緯紗波動加劇，增大了耗氣量，不利于引緯。

3.4 輔助噴嘴孔徑對氣流中心速度影響

圖9示出不同孔徑條件下3種不同輔助噴嘴中心線速度曲線。其中圖9 (a) 為單圓孔輔助噴嘴取不同孔徑中心軸線速度曲線，圖9 (b)為正三角形孔輔助噴嘴取不同邊長中心軸線速度曲線；圖9 (c) 為星形孔取3種不同直徑條件下中心軸線速度曲線。

星形孔輔助噴嘴為中心排列方式，僅僅改變每個孔的直徑為0.2、0.25、0.3 mm，不改變其他參數。由圖可知，隨著中心軸線上距離的增大，氣流速度逐漸衰減，隨著噴嘴孔徑的減小，氣流衰減速度增快。在距離噴孔10 mm之后，3種孔徑的中心軸線上速度衰減緩慢且平穩，衰減趨勢越緩慢則氣流集束性越好，表明孔徑越大，氣流的集束性越好，噴射能力越強。

3.5 輔助噴嘴孔形對耗氣量影響

氣流速度和氣流流量是輔助噴嘴完成引緯必需具備的2個基本條件。分析不同孔形輔助噴嘴對耗氣量的影響，對設計節能環保型的噴氣織機具有重要的參考價值。表3示出供氣壓力為0.4 MPa時單圓孔、正三角形和星形孔3種不同孔形的耗氣量。耗氣量是輔助噴嘴出口面的流量值。可以看出，3種孔形的耗氣量高低依次為：正三角形孔、單圓孔、星形孔。相較于其他2種輔助噴嘴，星形孔出口風速最高，耗氣量最低。

表3 0.4 MPa條件下不同孔形輔助噴嘴出口風速和耗氣量Tab.3 Air consumption and average speed of airflow of different auxiliary nozzles at 0.4 MPa

3.6 輔助噴嘴孔形對引緯平穩性影響

在引緯過程中，要求輔助噴嘴出口風速高，集束性好，射程盡可能遠，必須防止輔助噴嘴射流擴散，引緯速度緩慢減速，才能保證緯紗穩定飛過梭口。引緯平穩性是以距輔助噴嘴噴口40 mm處的截面速度大于80 m/s的等效圓半徑r表示。圖10示出供氣壓力為0.3 MPa時3種不同孔形輔助噴嘴，距離噴口40 mm處截面徑向速度分布圖。

圖10 截面速度分布Fig.10 Velocity distribution of cross section. (a) Single circular hole auxiliary nozzle; (b) Triangular hole auxiliary nozzle; (c) Star hole auxiliary nozzle

表4示出在不同供氣壓力下單圓孔、正三角形孔和星形孔，距離噴口40 mm處截面速度大于80 m/s的等效圓半徑。

表4 不同壓力條件下不同孔形的引緯平穩性Tab.4 Stability of weft insertion with different passes under different pressure mm

由表4可知，隨著壓力增大，3種孔形的輔助噴嘴距離輔噴口40 mm處截面速度大于80 m/s的等效圓半徑也隨之增大。3種孔形在0.4 MPa時的等效圓半徑均大于在0.3 MPa時的等效圓半徑。等效圓半徑越大，說明對引緯時的緯紗穩定性相對越好。在一定供氣壓力時，星形孔的引緯平穩性相對最優，單圓孔的引緯穩定性最差。

4 結 論

本文采用Fluent軟件分析了在0.2～0.4 MPa供氣壓力下單圓孔、正三角形孔和星形孔3種輔助噴嘴流場分布，得到如下結論：

1)3種孔形的輔助噴嘴隨著供氣壓力的增加，噴嘴中心軸線速度變化趨勢基本一致，且3種孔形的噴嘴在0.4 MPa的供氣壓力下，輔助噴嘴出口處出現明顯的速度波動，這是出口處的氣流超音速流動產生的激波。

2)輔助噴嘴供氣壓力對引緯速度的影響非常明顯：在0.3 MPa的供氣壓力下，距離中心軸線40 mm處速度達到100 m/s，氣耗量適中，適用于大多數織物的高速引緯；在0.4 MPa的供氣壓力下，中心軸線上速度達到130 m/s，比較適合重磅織物的引緯，但氣耗量較大。

3)輔助噴嘴結構對引緯特性也有很大影響，在相同供氣壓力下，星形孔輔助噴嘴，相比于單圓孔、正三角形輔助噴嘴具有更好的集中性，更高的引緯速度，更小的耗氣量，較好的引緯平穩性，是一種綜合性能優良的輔助噴嘴。

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