應用STAR-CCM+的旋流噴嘴內部三維流場數值模擬與分析

陳 娜， 吳 敏， 邱 華， 葛明橋

(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122)

隨著紡織科技的不斷進步，氣流在紡織生產中的應用日益增多。除了運用氣流來改變成紗機制的新技術外，還可借助氣流來改善紗線質量，如集聚紡[1]和旋流噴嘴環錠紡技術。旋流噴嘴環錠紡是在環錠紡上利用旋流噴嘴降低紗線表面毛羽，改善紗線質量的技術。褚結[2]、牟俊玲[3]、張英姿[4]等主要研究了旋流噴嘴紗道與氣道直徑、長度和紗道形狀等結構參數以及紡紗工藝參數對減羽效果的影響。本文借助計算流體力學軟件 STAR-CCM+對旋流噴嘴紗道三維流場進行數值模擬，在前人設計的旋流噴嘴的基礎上通過改變氣道與紗道相交方向和相切點的位置，探討其對噴嘴紗道內部氣流分布的影響，并選擇出較好的噴嘴結構模型，為今后研究其他參數對旋流噴嘴減羽效果的影響奠定了基礎。STAR-CCM+是由CD-adapco Group公司開發的新一代通用計算流體力學(CFD)分析軟件[6-8]。該軟件具有一體化集成環境、高重復性和適用性等優點，可通過一體化用戶界面展示從CAD建模、表面網格準備、體網格生成、模型設定、計算求解一直到后處理分析的整個模擬過程，使用方便，高效。

1 模型的建立

1.1 旋流噴嘴簡介

旋流噴嘴是為減少環錠紡紗線毛羽而發明的組件[2-5]，這種減羽方法是直接在普通環錠細紗機的前羅拉和導紗鉤之間裝一個旋流噴嘴，噴嘴由氣道和紗道組成，利用噴嘴內部特殊結構，可產生高速旋轉氣流，從而有效減少紗線表面毛羽，改善紗線性能。圖1示出環錠紡中使用旋流噴嘴的工藝流程。粗紗經過牽伸系統送入到前羅拉，隨后紗線通過旋流噴嘴，表面毛羽減少，最后細紗在導紗鉤的作用下，經過鋼絲圈和鋼領，被卷繞在筒管上，旋流噴嘴的安裝傾角應盡量與前羅拉傾角一致。

圖1 環錠紡中使用旋流噴嘴的工藝流程Fig.1 Ring spinning process of using a swirl nozzle

1.2 物理模型建立

噴嘴物理模型如圖2所示。設計的2種噴嘴模型分別是A和B。2個模型中圓柱①為氣道，圓柱②主要是紗線通過的管道，稱為紗道，氣道與紗道壁相切并呈一定角度，分別為α1和α2，滿足紗道中氣流旋轉方向與Z捻紗加捻方向一致。A和B模型中紗道與氣道相切點沿X軸負方向長度均為7 mm，A噴嘴氣道與紗道相交方向向下，而B相交方向向上。A和B噴嘴的物理模型尺寸與實際尺寸一致，紗道直徑都為2 mm，氣道直徑為1.4 mm，紗道長度為21 mm。物理模型中忽略了紗線的存在，對噴嘴的結構做了適當簡化。

圖2 旋流噴嘴物理模型Fig.2 Physical model of swirl nozzles

2 旋流噴嘴內部三維氣流模擬

2.1 網格劃分及物理模型選擇

由于Trimmed網格計算精度比四面體網格高，而收斂速度又比多面體網格快[7]，故旋流噴嘴網格劃分選擇Trimmed網格，網格基本尺寸為0.1 mm。噴嘴內氣流總的流速在330 m/s左右，將氣流流動計算界定為三維定常可壓縮湍流流動，噴嘴計算選擇分離求解器做定常計算，根據文獻[3]設定計算環境為2個大氣壓，不考慮重力的影響及熱交換，湍流采用壁面函數法。離散格式為二階迎風方式。

2.2 邊界條件設置

在STAR-CCM+中首先要對每一個邊界進行逐一定義，入口邊界為氣道口，出口邊界為紗道2個進出口。由于紗道內紗線的質量較小，對壓縮流體的運動影響很小，可以忽略，因此在數值模擬中，假設紗道中只有壓縮空氣。此外，流場在氣流進入后很短的時間內即可完成，因此可認為紗道壁是絕熱的。

2.2.1入口邊界

大氣壓強為0.101 3 MPa，大氣溫度為293 K，儲氣罐內空氣的壓強為P，P=0.2 MPa(表壓)，由于(0.101 3+P)/0.101 3>0.528，可知調壓閥前后壓差比較大，氣流在旋流噴嘴氣道的入口處發生阻塞，故氣體能流通的流量只與入口壓力有關(即跟氣體的壓縮程度有關)[9]，因此，氣室中氣體壓力P0=(表壓+1)×1.013×105(Pa)，經計算，入口處氣流壓強P0為0.159 MP；根據理想氣體狀態方程ρ0RT0=P0(ρ0為氣室中氣體的密度，kg/m3，氣體常數R=287.1 N·m/(kg·K))，計算得到入口處氣流溫度T0為244.069 K。

2.2.2出口邊界和固體壁面

由于旋流噴嘴出口與大氣直接相連，噴嘴出口壓強近似等于外界大氣壓強，即設置為一個標準大氣壓，溫度也為大氣溫度。固體壁面處壓縮流體的運動受到較大阻礙，其速度越來越小，因此近似認為壁面處氣流速度在各個方向均為零，壁面邊界采用無滑移條件。

3 計算結果與分析

3.1 管道相交方向對紗道內部氣流的影響

3.1.1噴嘴紗道內部氣流分布特點

圖3示出2種噴嘴紗道內部氣流沿徑向的速度矢量圖。紗道總長為21 mm,氣流分布主要在氣流入口以上6 mm到氣流入口下12 mm段有明顯特征分布，故將紗道以2 mm為單位，模型A和B劃分成10個平面，規定噴嘴入口平面為0。2個模型紗道中的氣流均是順時針旋轉，氣流入口以下，氣流是向下順時針旋轉的，氣流入口以上，則是向上順時針旋轉。A模型由于噴嘴傾角向下傾斜，大部分氣流向下運動，而氣流入口以上旋轉氣流較少；B模型傾角向上傾斜，相反大部分氣流向氣流入口上方運動，而下方氣流較少。圖4示出2個噴嘴紗道內部氣流沿軸向的速度矢量圖。A和B噴嘴中旋轉氣流在噴嘴軸向形成不同程度的回流區，回流區基本在氣流入口附近，其中A模型在氣流入口上下均存在回流區，而B相對較少，只存在于氣流入口的下方區域。由于回流區氣流比較紊亂，會使紗線表面毛羽相互糾纏，形成棉結造成紗線條干不勻，應盡可能避免。

圖3 噴嘴模型A和B內部氣流沿徑向的速度矢量圖Fig.3 Velocity vector diagram along radial profiles in nozzle model A and B

圖4 噴嘴模型A和B內部氣流沿軸向的速度矢量圖Fig.4 Velocity vector diagram along axial profiles in nozzle model A and B

由于紡紗加捻三角區的存在，使纖維尾端未能全部加捻到紗體內，從而形成較多的毛羽，其中48.6%的毛羽分布如圖5中A所示，定義該毛羽為順向毛羽，而29.6%的毛羽分布方向與順向毛羽相反，定義為逆向毛羽，此外還有18.4%的雙向毛羽和3.4%的其他毛羽[10]。由此看出，當紗道中的氣流軸向運動與紗線運動方向相反時，可使紗線表面順向毛羽更貼附于紗體，有助于減少較多的該向毛羽；相反，氣流與紗線運動方向相同時，能夠減少少量的逆向毛羽，但是不能使順向毛羽順著氣流方向前進，從而被反向吹散，形成新形態的毛羽，有些則直接被吹出紗體，造成纖維的散失，因此要獲得較好的減羽效果，紗道中應形成較多的與紗線軸向運動方向相反的旋轉氣流，由于該氣流主要分布在氣流入口以上，故紗道該部分的長度要適中。

圖5 氣流對紗線表面毛羽作用過程Fig.5 Effects of air flow on the surface of the yarn hairiness

3.1.2噴嘴紗道內部沿軸向氣流三向速度分布

從圖5可看出，氣流進入紗道后對紗體的作用力可分解為軸向、徑向和切向。切向氣流主要對紗線表面毛羽起包纏作用，切速增大有利于對毛羽的包纏；徑向和軸向氣流主要可以使紗線表面浮游纖維易于伏貼在紗線表面，從而輔助切向氣流使毛羽很好地包纏在紗體上[11]，軸速和徑速增大，有利于紗線表面毛羽的貼伏和彎曲，但過大會使紗線表面毛羽發生折疊、糾纏，不利于減羽作用。

圖6示出A和B噴嘴模型的三向速度分量。圖6(a)示出噴嘴A和B的切向氣流分量，為了使紗線表面毛羽盡可能多地包纏到紗體上，在氣流入口以上(X負半軸)，具有較大的切向速度，有利于對伸出紗體纖維端的良好包纏；氣流入口以下(X正半軸)，切速較小且相對穩定，可以保持纖維良好的包纏狀態。從圖6(b)可看出，噴嘴B的徑向速度與切向速度具有相似的變化趨勢，這也有助于徑向速度配合切向氣流實現對紗線表面的良好包纏。圖6(c)示出噴嘴的軸向速度分量，結合圖4，在氣流入口以上，軸速為負，而在氣流入口以下，軸速為正。A噴嘴軸速在氣流入口附近速度與正常流速方向相反且較大，所以在該區域產生較大的回流區，并且在氣流入口以下軸速較大，不利于減少順向毛羽；而B噴嘴軸速在氣流入口以下較小且比較穩定，在氣流入口附近也存在回流區，但比較小。結合以上幾點，由于B噴嘴在紗道中形成較多與紗線軸向運動方向相反的氣流，紗道中三向速度分布也比較合理且紗道中回流區較少，因此選擇B噴嘴模型來探討氣道與紗道相切點位置對噴嘴紗道內部氣流分布規律的影響。

圖6 A和B噴嘴模型的三向速度分量Fig.6 Three velocity components in A and B nozzle model. (a) Tangential velocity component; (b) Radial velocity component; (c) Axial velocity component

3.2 管道相切點位置對紗道內部氣流影響

通過對A、B模型中氣流分布規律的分析，結合氣流對毛羽的作用機制確定B噴嘴為合理模型，為研究噴嘴位置對噴嘴紗道內部氣流的影響，設計了C和D噴嘴。C和D 噴嘴的其他參數與B噴嘴一致，只是C噴嘴中氣道與紗道相切點沿X軸負向長度為10.5 mm，而D噴嘴為14 mm。

3.2.1噴嘴紗道內部氣流分布特點

圖7、8分別為B、C、D 3個噴嘴紗道內部氣流沿徑向和軸向的速度矢量圖，規定氣流入口平面為X=0平面。3個噴嘴在X=0平面以上，氣流運動方向一致，只是隨著氣流入口以上長度的增加，紗道中向上運動的氣流增加，這正滿足了減羽的第一個要素，形成較多的與紗線沿軸向運動方向相反的旋轉氣流，從該點來看D噴嘴比較合理；同時，當噴嘴的負半軸較短時，在紗道入口形成的氣流流速較大且紗道入口離紡紗三角區較近，易造成該區域纖維的散失，使紗線細度達不到要求；此外，3個模型均在噴嘴下方有少量的回流區，B和C由于氣流入口以下區域較長，使紗道出口處氣流分布較少，所以氣流運動方向較紊亂，而D噴嘴氣流在該區域分布相對來說比較穩定。

圖7 3個噴嘴模型紗道內部氣流沿徑向的速度矢量圖Fig.7 Velocity vector diagram along radial profile in three nozzle models

圖8 3個噴嘴模型紗道內部氣流沿軸向的速度矢量圖Fig.8 Velocity vector diagram along axial profile in three nozzle models

3.2.2噴嘴紗道內部沿軸向氣流三向速度分布

圖9示出B、C、D噴嘴紗道中氣流的三向速度分量。

圖9 B、C、D噴嘴模型的三向速度Fig.9 Three velocity components in B, C and D nozzle models. (a) Tangential velocity component； (b) Radial velocity component；(c) Axial velocity component

由圖9可看出，3個噴嘴的三向速度分布規律基本一致，但D噴嘴的切向速度和徑向速度在氣流入口以上比其余2個噴嘴速度大，而在氣流入口以下則最小，這正滿足了主要減羽區對速度的要求；從3個噴嘴紗道軸向速度分布規律中可以看出，D噴嘴在紗道入口附近軸速為正(與氣流正常運動方向相反)，說明該區域有回流產生，主要是由于噴嘴負半軸較長，在紗道入口附近氣流速度比較小，導致外部氣流流入噴嘴紗道中，3個噴嘴在X正半軸氣流入口附近(X=0附近)均有少量回流產生，而D噴嘴回流區域最小且在該區域軸速最小。故由紗道中氣流的三向速度分布規律驗證了D噴嘴模型相對比較合理。

4 結 論

使用計算流體軟件STAR-CCM+對設計的旋流噴嘴紗道內部氣流流場進行了三維數值模擬，得到紗道內氣流的速度矢量圖和三向速度分布規律。

1)模型A和B是2個氣道與紗道相交方向不同的噴嘴，從減羽效果來看，氣流運動方向與紗線軸向運動相反時有助于減少紗線表面較多的順向毛羽，同時在氣流入口以下區域，較小的流速和回流區對減羽效果有利，因此從以上來看噴嘴B模型比A模型合理。

2)紗道內三向流速分布直接影響毛羽在紗體表面的貼附程度和對毛羽的包纏效果，當氣流入口離紗線入口為14 mm時，噴嘴的切向速度和徑向速度在氣流入口以上較大，而在氣流入口以下則較小，且在紗道中的回流區也比較小，這正滿足了可減少大量順向毛羽的要求。

3)噴嘴紗道中氣流的三維數值模擬沒有考慮紗線的存在，模擬結果為噴嘴結構設計提供了一定的理論基礎，但最終的減羽效果還需進一步的實驗驗證。

FZXB

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