噴氣織機異形孔輔助噴嘴的結構及其噴射性能

陳永當,程云飛,殷俊清,陳 青,趙誠誠,顧金芋

(西安工程大學 機電工程學院,陜西 西安 710600)

0 引 言

噴氣織機作為主流紡織設備,國內外相關人員對其氣流場特性、實驗平臺搭建、主輔噴嘴氣流場特性等進行了大量研究。Kim J H等[1]研究了供氣壓力、噴向角對輔噴流場特性的影響。EI-Messiry等[2]搭建了一套可用于不同類型噴嘴間的測試比較的實驗平臺。Adámek K等對輔助噴嘴噴孔壁厚度進行了實驗研究[3]和數值模擬[4],證明了噴孔壁厚的增加有利于改善噴射氣流的方向性。文獻[5-8]分別對筘槽內氣流速度以及織機的綜合性能進行實驗測試,結果表明引緯流場可分為主噴流場和輔噴合成流場2部分。

實現噴氣織機高速化的關鍵在于提高引緯的速度,而輔助噴嘴作為噴氣織機的關鍵性零件,負責將緯紗接力送過梭口。在正常運轉時,輔助噴嘴的氣耗量占整機的75%左右[9]。輔助噴嘴結構性能的好壞直接影響噴氣織機的引緯質量[10]和織機能耗[11],因此輔助噴嘴的結構是研究重點之一。相關學者對單孔噴嘴的噴孔形狀[12]、單圓孔孔徑[13]、錐度[14],以及主噴嘴的流場[15]等進行了研究,得到不同單孔噴孔形狀、單圓孔不同孔徑及其錐度值下輔助噴嘴的流場特性，矩形孔噴嘴的最佳長寬比，孔徑1.5 mm單圓孔輔助噴嘴最佳錐度值等,證明了噴嘴出口截面積會影響射流速度和持續性。此外,蘇州大學課題組證實了單孔輔助噴嘴引緯流場具有射流強度大、穩定性高、集束性好等特性[16]；胥光申通過數值模擬得出中心環形分布多圓孔結構輔助噴嘴的綜合性能優于單圓孔輔助噴嘴的結論[17]。

目前對于輔助噴嘴噴孔的研究多集中于常規孔型，如單圓孔、矩形孔、錐形孔、多圓孔等的氣流場特性研究和噴孔結構參數優化，對于異形結構噴孔的研究卻鮮有報道。基于此，本文提出以環形槽結合中心孔的異形噴孔結構作為輔助噴嘴出口,利用Fluent軟件分析此類異形孔結構輔助噴嘴流場,得到其對輔助噴嘴氣流場的影響規律，并與常規單圓孔輔助噴嘴的噴射性能進行對比,探討異形噴孔對于輔助噴嘴整體噴射性能的影響。

1 輔助噴嘴異形噴孔結構設計

壓縮空氣流過輔助噴嘴的運動為等熵運動，即為流動過程無能量損失的絕熱過程。在輔助噴管內部,氣流流速較低,為亞聲速。但當氣流經過噴孔時,速度快速增大,壓力及密度降低使氣流在大氣中快速膨脹,距噴孔越遠氣流速度衰減越快[18]。改變噴孔形狀或噴孔排布形式，氣流特性亦會產生相應的變化。因此，在中心噴孔外增加環形槽結構作為輔助噴嘴出口，研究異形結構出口對其噴射性能的影響,并據此設計了4類不同結構參數的異形孔輔助噴嘴。圖1為生產中常用單圓孔輔助噴嘴結構參數值及其三維模型。

(a) 輔助噴嘴結構參數(單位：mm)

(b) 三維模型圖 1 單圓孔輔助噴嘴結構參數及其三維模型Fig.1 Structural parameters of single circular hole auxiliary nozzle and its 3D model

圖2是以噴孔直徑1.5 mm單圓孔輔助噴嘴為基礎,依據噴射出口面積等效原則(出口總面積1.766 25 mm2)計算出4類異形孔輔助噴嘴詳細結構參數值,其中各類噴孔的環形槽內外圓半徑分別為0.7 mm和0.9 mm。各環形槽出口總面積確定之后，再以其中心噴孔進行圓整得到各中心噴孔的計算半徑,從而保證各類噴孔的出口總面積一致。

為更好對比,文中輔助噴嘴除噴孔形狀及其結構參數不同以外,其余結構參數均與常規單圓孔輔助噴嘴保持一致。雙槽、三槽、四槽、五槽異形噴孔結構依次命名為K1、K2、K3、K4型輔助噴嘴。輔助噴嘴噴孔實際加工中通常采用電火花方法[16],目前電火花加工機精度普遍在±0.005 mm,一些高端機型精度可達±0.002 mm。文中4類輔助噴嘴環形槽與中心噴孔之間的最小間距為0.13 mm,環形槽最小圓弧半徑為0.1 mm,其余結構參數均大于0.1 mm，符合實際生產加工要求。

圖 2 各異形孔輔助噴嘴噴孔參數值及其三維模型Fig.2 Detailed parameters of the auxiliary nozzles with special-shape and its 3D model

2 輔助噴嘴流場模型

2.1 三維模型建立、網格劃分

利用三維建模軟件建立單圓孔及4類異形孔輔助噴嘴的半流場模型。圖3為輔助噴嘴的三維流場,包括噴嘴內部流場和外部遠揚流場,其中外部遠揚流場的長度為80 mm,直徑為24 mm。

圖 3 輔助噴嘴三維流場模型Fig.3 3D flow field of auxiliary nozzle

2.2 邊界條件和求解器設定

利用Ansys中Mesh插件對輔助噴嘴三維流場模型進行網格劃分,圖4為流場模型網格劃分及邊界設定。

圖 4 流場模型網格劃分及邊界設定Fig.4 Flow field meshing and boundary setting

圖4中，網格密度為100,網格劃分質量為fine,采用自由四面體網格,最終生成網格數量約84萬個;根據求解需要生成網格后，分別設置其壓力入口、對稱面、壓力出口和壁面4個邊界條件。將定義好邊界屬性的網格文件導入Fluent中并檢查網格是否可以被求解,設置Fluent中的流場邊界參數值(見表1)。

表 1 Fluent中流場邊界條件設定Tab.1 Flow field boundary condition setting in Fluent

參數設置完成后進行求解器設定,采用密度基隱式求解器計算。湍流模型選用RNGk-ε雙方程模型,流體介質選用理想氣體,采用混合初始化條件,迭代次數為500次。

3 結果與分析

供氣壓力一定時,輔助噴嘴的噴射性能主要以其最大出口風速,射流中心線上速度衰減趨勢及氣耗量等確定[8]。不過，上述指標作為輔助噴嘴噴射性能評價標準主要針對于常規孔型,對于異形孔輔助噴嘴的噴射性并不能做出全面的評價。因此，在現有評價基礎上進一步對比分析距噴嘴出口50 mm處截面速度的分布情況，以更好地說明其噴射性能。

3.1 對稱面上速度云圖

圖5為供氣壓力0.3 MPa,單圓孔及4類異形孔輔助噴嘴對稱面上速度分布云圖。由圖5可以看出各輔助噴嘴的自由射流的速度分布情況。5類不同孔型輔助噴嘴出口處速度值分別為431,465,469,463,466 m/s。

(a) 單圓孔

(b) K1型

(c) K2型

(d) K3型

(e) K4型圖 5 各型輔助噴嘴對稱面速度分布云圖Fig.5 Symmetrical surface velocity contours of various auxiliary nozzles

3.2 氣流中心線上速度分布及氣耗量

圖6為單圓孔和4類異形孔輔助噴嘴氣流中心線上速度衰減曲線圖。由圖6可見,在距噴嘴出口處0～10 mm范圍內異形孔輔助噴嘴整體氣流速度較高,但氣流波動較為劇烈,曲線斜率較大,說明其衰減速度快。0～20 mm范圍內K1型表現較好;25 mm之后異形孔輔助噴嘴衰減曲線均處于單圓孔曲線下方,且其衰減曲線相似度較高,說明其噴射性能相似。5條衰減曲線呈梯次下降,表明距噴嘴較遠處異形孔輔助噴嘴的氣流速度衰減較快。隨環形槽數目的增加異形孔結構輔噴嘴氣流集束性減弱,導致氣流速度衰減加快。

圖 6 氣流中心線上速度衰減曲線Fig.6 Velocity attenuation curve of airflow centerline

表2為各型輔助噴嘴最大出口風速和入口質量流對比(入口質量流越大即氣耗量越大)。由表2可知,異形孔輔助噴嘴中除K1型外,其余孔型輔助噴嘴的耗氣量均小于單圓孔輔助噴嘴,表明K2、K3、K4型輔助噴嘴的節能性要優于單圓孔輔助噴嘴。

表 2 各型輔助噴嘴最大出口風速和耗氣量對比Tab.2 Comparison of wind speed and air consumption of each type of auxiliary nozzle

3.3 50 mm處截面速度對比分析

由于噴孔附近存在氣流波動現象,供氣壓力較高時不利于緯紗飛行的穩定性,故在實際引緯過程中對筘槽中緯紗起牽引作用的主要是輔助噴嘴的中遠場部分。本文對比分析5類噴孔距噴嘴出口一定距離截面上的氣流速度分布情況，圖7為各型輔助噴嘴距噴口50 mm處截面速度分布云圖。

(a)單圓孔

(b) K1型

(c) K2型

(d) K3型

(e) K4型圖 7 50 mm處截面速度分布云圖Fig.7 Cloud images of cross-sectional velocity distribution at 50 mm

圖8為5類輔助噴嘴距噴口50 mm處截面上提取數據點后生成的速度徑向分布對比圖。

圖 8 截面速度徑向分布對比Fig.8 Radial distribution comparison of cross-sectional velocity

由圖8可見,4類異形孔速度徑向分布曲線開口較大,除最高點處速度分布不同以外，其余部分重合度較高；單圓孔速度徑向分布曲線開口較小,10～15 mm范圍內單圓孔曲線位于最上方。異形孔輔助噴嘴在50 mm處截面速度大于30 m/s(TT-800噴氣織機運行時紗線飛行最高速度應大于30 m/s[19])的等效圓直徑約為10 mm,而單圓孔輔助噴嘴的等效圓直徑約為7.5 mm。說明單圓孔的氣流集束性更好,核心區域的速度更大；異形孔的氣流面積更大,有效噴射截面明顯優于單圓孔。即異形孔輔助噴嘴的射流對紗線的包容性較好,其引緯穩定性更好,較為適應紗線強度較弱織物和彈力織物的引緯。

4 結 論

1) 通過對比發現,異形孔輔助噴嘴的出口處速度大于單圓孔輔助噴嘴,形槽數目的增加會減弱氣流的集束性，導致距噴嘴出口25 mm之后異形孔輔助噴嘴的氣流速度衰減加快。

2) 單圓孔的氣流集束性更好而異形孔的氣流面積更大,異形孔的有效噴射截面優于單圓孔,異形孔輔助噴嘴的射流對紗線的包容性較好,引緯穩定性更好,適合紗線強度較弱織物和彈力織物的引緯。

3) 考慮輔助噴嘴整體噴射性能和耗氣量,單圓孔輔助噴嘴的氣流集束性較強,適用于常規織物引緯。異形孔輔助噴嘴中K1型耗氣量較大,不適用于引緯,K2、K3、K4型輔助噴嘴的節能性優于單圓孔輔助噴嘴,噴射性能適中,可用于引緯。

4) 4類異形孔輔助噴嘴的整體噴射性能類似,隨著環形槽數目的增加其氣流集束性逐漸減弱，使得4種類型輔助噴嘴的氣流速度衰減逐漸加快,但環槽數目的增加有利于降低其耗氣量;對比4類異形孔輔助噴嘴距噴孔50 mm處截面速度徑向分布圖可知，除中心區速度不同以外，4類輔助噴嘴在50 mm處的截面速度分布較為相似,該距離處的4類孔型輔助噴嘴的有效噴射截面亦近似相等。