噴氣織機主噴嘴導紗管改進構型的性能分析

王青 林何 沈丹峰

摘要： 為提高噴氣織機主噴嘴加速性，降低耗氣量，文章對主噴嘴導紗管進行改進構型的性能研究，并提出三種改進的導紗管構型。基于Fluent軟件對具有三種不同導紗管構型的主噴嘴內流場進行數值模擬研究，分析導紗管對氣流的加速性。分析結果表明：改進的導紗管構型二和三相比于圓柱形導紗管，加速性分別提高0.8%～22.5%和2%～11%;構型三由漸縮管段和圓柱管段組成，因此氣流在導紗管出口平行流出，有利于和輔助噴嘴噴射氣流的匯合;隨著構型三漸縮管段長度的增加，導紗管出口氣流速度先增大后減小，且漸縮管段長度在150 mm左右時，導紗管出口氣流速度最大。

關鍵詞： 主噴嘴;導紗管;加速性;供氣壓力;改進構型

中圖分類號： TS103.2 ? 文獻標志碼： A ? 文章編號： 1001

Abstract： In order to improve the acceleration performance and reduce the air consumption of main nozzles of an air-jet loom， the performances of the improved configurations of thread tube were studied here. Three improved configurations of thread tube were developed. The numerical simulation study was conducted by Fluent software for the internal flow field of main nozzles with three different thread tube configurations， and the acceleration performance of thread tube for airflow was investigated. The results show that， compared with cylindrical thread tube， the acceleration performances of improved thread tube configurations Ⅱ and Ⅲ increased by 0.8%～22.5% and 2%～11%， respectively. The configuration Ⅲ consists of a tapered section and a cylindrical section. So， airflow is parallel at the outlet of the thread tube， which contributes to and assists the nozzle in joining jet stream. As the length of the tapered section increases， the airflow velocity at the outlet of the thread tube increases firstly and then decreases. And the maximal velocity occurs when the length of tapered section is about 150 mm.

Key words： main nozzle; thread tube; acceleration performance; gas pressure; improved configuration

噴氣織機引緯是借助高速氣流對緯紗產生的摩擦力，把具有一定質量處于靜止狀態的緯紗迅速加速，使其在氣流場的輸送作用下飛越梭口。主噴嘴作為噴氣織機的重要部件，其結構和工藝參數是噴氣引緯中最重要的因素，直接影響織機生產速率和產品質量、生產成本等，因此學者們對主噴嘴開展了大量的研究工作。

ISHIDA等[1-2]和KIM等[3]研究了主噴嘴供氣壓力大小和導紗管長度對內流場氣流靜壓分布及速度大小的影響。JEONG等[4]通過改變導紗管長度和直徑，進行主噴嘴的結構設計。陳亞威等[5]、路翔飛等[6]分別采用實驗法、CFD方法對主噴嘴緯紗牽引力進行了測試和計算。薛文良等[7]采用CFD方法分析了不同供氣壓力下主噴嘴內流場氣流參數分布，金玉珍等[8]、張科[9]分析了主噴嘴不同結構參數對流場特性的影響，G.Belforte等[10]進行了氣流對緯紗牽引力的數值模型研究。這些研究一定程度上能夠用于指導主噴嘴結構的設計，但是都局限于對常規構型的研究，對主噴嘴構型的改進研究很少。陳亮等[11]設計了一種新型主噴嘴構型，該構型有兩個整流室，雖然能夠有效減弱紊流甚至消除回流現象，但是兩個整流室使得主噴嘴結構過于復雜。

導紗管作為主噴嘴的加速段，其長度、結構形狀等對主噴嘴出口氣流速度影響很大，因此研究不同構型導紗管對氣流的加速性對提高主噴嘴出口緯紗速度意義重大。基于此，本文提出幾種不同的導紗管構型，并通過主噴嘴內流場特性分析，研究幾種新型導紗管對氣流的加速特性，通過對比分析得到加速性更好的導紗管構型，力求提高噴氣織機主噴嘴的加速性，降低耗氣量。

1 主噴嘴結構和工作原理

本文研究的主噴嘴采用ZA型主噴嘴[7]（圖1），該主噴嘴由噴嘴芯、噴嘴體和導紗管組成，噴嘴內流道則由空氣加速區、緯紗引緯區和緯紗加速區組成。引緯時，由主氣包來的高壓氣流從供氣氣流入口進入主噴嘴，經環形氣室及整流槽后，氣流由高速渦流變為沿軸線方向的直流，整流后的氣流經亞音速加速區，通過錐形套以快速提高氣流速度，亞音速氣流經過喉部，在喉部出口處達到或超過當地音速。當此高速氣流進入緯紗引射區時，當地氣流靜壓已小于大氣壓，形成負壓區，外界大氣攜緯紗經引緯流道進入導紗管，經過緯紗加速區，高速氣流在導紗管內與緯紗充分作用，使緯紗達到引緯所需的速度。

由主噴嘴工作原理可知，主噴嘴內部流體流動特性非常復雜。狹小的內部流道內，在氣室存在高壓渦流，在整流槽內有氣固兩項相互作用，在引射區有高低速氣流的混合等。氣流經整流、加速、混合后，最終在導紗管內進行最后的加速，在導紗管出口達到引緯所需速度。因此進入導紗管的氣流狀態，特別是氣流的速度高低，對導紗管長度、形狀、截面大小等都有不同的要求，這些結構信息又反過來對氣流加速性影響很大，故本文將具體研究幾種導紗管構型對主噴嘴氣流的加速性能。

2 幾種改進的導紗管構型方案

傳統導紗管均采用圓柱形，而根據拉瓦爾噴管（圖2）原理，當氣流為亞音速時，遵循“流體在管中運動時，截面小處流速大，截面大處流速小”的原理，即氣流流經收縮段時不斷加速;當氣流為跨音速時，則是截面越大，流速越快。因此，本文根據拉瓦爾噴管原理設計幾種新的導紗管構型，如圖3所示為三種導紗管構型示意。

構型一：漸擴型加速區;構型二：漸縮型加速區;構型三：（漸縮型管段+圓柱形管段）加速區。

構型一的漸擴型導紗管G.Belforte等在文獻[10]中提過，根據拉瓦爾噴管原理，如果氣流在引射區達到跨音速，則流經該構型導紗管加速段，氣流會不斷加速。對于構型二和構型三，當氣流進入緯紗引射區為亞音速，則流經該兩種構型導紗管加速段，氣流會不斷加速，且構型三有等面積整流段，能夠使氣流平行流出導紗管，理論上有助于和輔噴嘴噴射氣流的匯合。綜上，本文通過數值模擬來具體分析三種構型對氣流的加速性。

3 改進的導紗管構型性能分析

3.1 分析建模

三種構型的導紗管研究，是以整個主噴嘴為研究對象展開的。因為主噴嘴為面對稱構型，因此僅取其一半進行研究，以減少分析計算時間。三種導紗管構型幾何參數如表1所示，導紗管入口端直徑均一致，便于不同構型間性能對比分析。此外，為確定改進構型導紗管性能提升情況，對基準構型的導紗管也進行了性能計算（表1）。

本文基于Solidworks軟件建立主噴嘴三維模型，如圖4所示。網格劃分是流場分析非常重要的一環，網格質量差，在流場分析時將難以捕獲到氣流真正流動狀態，因此本文采用ICEM軟件劃分網格時，考慮到主噴嘴內部結構的復雜性，采用非結構網格，并在氣流整流區等復雜區域進行了局部網格加密。此外，為了更真實地模擬主噴嘴流場的真實情況，壓力入口和出口都進行了延長，以符合在緯紗入口處有外界大氣流入，在導紗管出口處有主噴嘴內部氣流流出。其劃分好的網格如圖5所示。

流體力學模擬分析采用Fluent軟件，網格邊界條件包括兩個壓力入口（Pressure inlet，一個為供氣壓力入口、一個為緯紗入口），一個壓力出口（Pressure outlet，導紗管出口），一個對稱面（Symmetry）和一個壁面（Wall）邊界條件。壓力入口、出口的參數設置方法參考文獻[9]，計算模型選擇模擬湍流最準確的k-ω SST模型，分別分析供氣壓力取0.2、0.3、0.4 MPa和0.5 MPa時幾種構型的性能。

3.2 結果分析

主噴嘴設計以提高緯紗飛行速度為主要目標，因此以導紗管出口氣流平均速度大小為分析因素，其仿真結果如圖6所示。

分析圖6可得：1）構型三在0.2～0.5 MPa供氣壓力下的出口氣流速度均大于基準構型，且增加幅度隨著供氣壓力增大從11%～2%內變化;構型二在0.2～0.4MPa供氣壓力范圍內的出口氣流速度均大于基準構型，增幅從22.5%～0.8%內變化，在0.5 MPa供氣壓力下速度則降低2.1%;構型一在0.2～0.4 MPa供氣壓力范圍內的出口氣流速度均小于基準構型，其減幅從23%～8.8%，只在0.5 MPa供氣壓力下增大12.9%。根據拉瓦爾噴管加速原理可知：供氣壓力在0.2～04 MPa時，構型二和構型三的主噴嘴內流場氣流在緯紗引射區與從主噴嘴入口進來的氣流混合后為亞音速氣流，因此，流經收縮型加速區后流速迅速增大，即構型二和構型三在該供氣壓力范圍內對氣流加速性更好。當供氣壓力為0.5 MPa時，構型一出口氣流速度最高，說明此時氣流在緯紗引射區為跨音速，經過擴張型加速區后流速增加，故構型一在供氣壓力0.5 MPa時對氣流的加速性最好。2）隨著供氣壓力的增大，幾種導紗管出口氣流速度均呈增大趨勢，這是因為：主噴嘴對緯紗的加速是靠主噴嘴內外壓強差實現的。壓強差越大，氣流流速越急，對緯紗的作用力越大，緯紗的飛行速度越大。故供氣壓力越高，主噴嘴出口處氣流速度越高，但是氣流消耗量也越大，織造成本也越高。因此，供氣壓力并非越大越好，一般取0.3 MPa左右。

綜上所述，構型二和構型三性能都較基準構型和構型一有所提高，構型三出口氣流速度更高。且構型三為漸縮管段和圓柱形管段組合的導紗管構型，不但加速性好，其圓柱段還能夠對氣流進行一定的整流作用，使得氣流平行噴出主噴嘴，有助于和輔助噴嘴噴射的氣流進行匯合，因此是性能更好的一種構型。

3.3 導紗管構型三性能詳細分析

既然構型三性能更好，那么其漸縮管段和圓柱形管段長度值分配不同時對導紗管出口氣流速度又有何影響？現做進一步的分析研究。

導紗管總長200 mm不變，分析當漸縮管段長度分別取0、50、100、150 mm和200 mm時導紗管出口氣流速度。采用Fluent軟件進行數值模擬仿真，得到不同情況下導紗管出口氣流速度，不同曲線表示在不同供氣壓力條件下的計算結果，如圖7所示。

分析圖7可得，在0.3～0.5 MPa供氣壓力內，隨著漸縮管段長度的增加，導紗管出口氣流速度均呈現先增大再減小的趨勢，即導紗管漸縮段長度存在一個極值，使得出口氣流速度最大，該值在150 mm左右。同時圖7也進一步說明供氣壓力越大，導紗管出口氣流速度越高，且基準構型（對應漸縮管段長度0 mm）和構型二（對應漸縮管段長度200 mm）對氣流的加速性均不如構型三好。

4 結 論

本文對幾種構型導紗管對氣流的加速性進行了分析研究，認為漸縮型和漸縮型管段加圓柱形管段兩種構型的導紗管對氣流加速性都有提高，特別是漸縮型管段加圓柱形管段這種導紗管，既實現了更好的加速性，其圓柱段還能夠對氣流進行一定的整流作用，有助于和輔助噴嘴噴射的氣流進行合并。隨著漸縮管段長度的增加，出口氣流速度先增大，隨后又逐漸減小，因此漸縮管段長度存在一個極值，使得導紗管出口氣流速度最高，該極值可以通過優化手段分析得到。

PDF下載參考文獻：

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