空氣變形噴嘴內(nèi)流場的數(shù)值模擬

尚潤琪，屈銀虎，王 翔，劉 翠

（1.西安工程大學(xué) 機電工程學(xué)院，陜西 西安710048；2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州215011）

0 引 言

噴嘴是空氣變形技術(shù)的關(guān)鍵部件.空氣變形技術(shù)的工藝過程是壓縮空氣進入噴嘴，使變形加工的復(fù)絲在噴嘴內(nèi)受高速湍流的作用，各根單絲彼此分離，并在湍流中劇烈運動，當(dāng)長絲無張力地從噴嘴輸出的一瞬間，松弛的長絲束上產(chǎn)生了許多絲圈、絲弧和糾纏結(jié)，這種無規(guī)則糾纏在一起的形態(tài)使光滑的長絲變成非常柔軟、蓬松、低伸縮性的空氣變形絲.但噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸較小，氣流流道十分狹窄，難以放置相關(guān)傳感器，且傳感器的放置會對流場造成一定的干擾，嚴(yán)重影響實驗測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.這些因素導(dǎo)致國內(nèi)噴嘴制造廠家對空氣變形技術(shù)認(rèn)識不足，空氣變形噴嘴研究領(lǐng)域比較窄，研究人員及研究單位較少，所查閱的文獻資料表明該研究的熱點時期主要集中在1990年前后和2010年前后.國內(nèi)外對空氣變形工藝的研究主要集中在紗線質(zhì)量方面，如彎曲性能［1］，拉伸性能［2］，光澤［3］，毛羽［4］，絲圈結(jié)構(gòu)，條干均勻度等［5-6］，對變形設(shè)備和噴嘴研究較少，對噴嘴的變形過程和機理也少有研究［7-9］，導(dǎo)致長期以來對變形工藝和噴嘴內(nèi)部流場缺乏深刻認(rèn)識.空氣變形紗的專利和文章也較少［10］.目前亦少見采用流場模擬方法來直觀、數(shù)量化研究其內(nèi)部流場.

文中采用Fluent軟件對空氣變形噴嘴內(nèi)流場進行模擬，可以直觀地描述內(nèi)部流場的流動狀態(tài)及各項參數(shù)值，能更清晰地了解氣流對單絲的作用以及形成穩(wěn)定絲圈的機理，為空氣變形噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及設(shè)計新型變形噴嘴提供參考.

1 噴嘴內(nèi)流道數(shù)值模型的建立

1.1 空氣變形噴嘴的基本結(jié)構(gòu)

圖1為空氣變形噴嘴的結(jié)構(gòu)圖.Hema型空氣變形噴嘴一般設(shè)置一個中心紗線孔和3個側(cè)向進氣孔.中心紗線孔直徑分別為1.20，1.50，1.60，2.00和2.40mm，對應(yīng)的側(cè)向進氣孔直徑分別為0.60，0.75，0.80，1.00，1.20mm.可用于加工滌綸、錦綸、丙綸等化纖的（30～4 000）dtex的空氣變形紗，所能達到的變形速度為300～500（m·min-1）［11］.

1.2 三維模型的建立及網(wǎng)格的劃分

利用Pro／e軟件建立噴嘴簡化內(nèi)流場的三維模型［12］.網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對Fluent軟件的計算效率和計算結(jié)果準(zhǔn)確度有著直接影響，本次網(wǎng)格的劃分間隔為0.2，在Gambit中劃分好網(wǎng)格的模型如圖2所示.

圖1 空氣變形噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of air texturing nozzle

圖2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置Fig.2 Meshing of air texturing nozzle and setting of boundary conditions

網(wǎng)格劃分好后還需要對模型進行邊界條件設(shè)置.本模型有3種邊界條件，分別為：壓力進口、壓力出口以及壁面.3個壓縮氣體入口為壓力進口，絲線輸出口為壓力出口，其他為壁面，如圖2所示.

2 數(shù)值模擬與分析

2.1 數(shù)值模擬

將上面劃分好網(wǎng)格的模型導(dǎo)入Fluent進行模擬.首先選擇求解器，檢查網(wǎng)格是否有缺陷或重疊，若有缺陷或重疊，則網(wǎng)格需重新劃分；計算模型選擇為隱式密度基求解器；湍流模型采用SSTk-ω模型；工作環(huán)境壓力定義為0，其余的壓力均為相對于此的絕對壓力.

Fluent一般默認(rèn)迭代殘差值10-3為收斂判據(jù).模擬結(jié)果表明，各曲線相互之間殘差值差別不大，模型開始求解計算后，各曲線殘差值均越來越小，迭代186次曲線殘差值依次為3.016 2×10-5，1.261 0×10-4，1.466 6×10-5，9.887 5×10-7，6.039 6×10-5，3.343 5×10-5，均在10-3附近.由此判斷，計算收斂.

2.2 模擬結(jié)果分析

本文選擇k-ω模型（2equ）的剪切壓力傳輸（SST）模型.SSTk-ω流動方程為

其中，Gk是湍流的動能，Gω為ω方程，Yk和Yω分別是K與ω的發(fā)散項，Γk和Γω分別代表的是k與ω的有效擴散項，Dω代表正交發(fā)散項，Sk與Sω可自定義.

根據(jù)SSTk-ω模型，本次模擬計算是在湍流狀態(tài)下對導(dǎo)入的內(nèi)流道網(wǎng)格模型進行模擬求解，得到圖3的速度流線圖，圖4的速度矢量圖和圖5的壓力分布圖.

圖3的速度流線圖表明，噴嘴進氣口氣流全為近乎直線的線條，沒有出現(xiàn)任何偏移或旋轉(zhuǎn)，說明噴嘴內(nèi)流場很穩(wěn)定，很難出現(xiàn)紊流.進入流體腔內(nèi)的絲束也就很難被打亂分散，這勢必會對紗絲的變形產(chǎn)生一定影響.

圖3 速度流線圖Fig.3 The flow line of speed

圖4 速度矢量圖 Fig.4 The vector diagram of speed

從圖4可以看出，在紗線進口處出現(xiàn)的反向速度會影響紗線進入噴嘴，在進氣口與變形絲通道的交界處，有很小一部分氣流的速度很高，達到360m／s以上，滿足超音速的要求，這部分速度高但很少，其產(chǎn)生的動能也就很少，對于流腔整體的貢獻很小，噴嘴內(nèi)的速度都不大，最大速度在出絲口，但出口的最大速度也沒超過音速.

圖5所示的噴嘴三維立體3D壓力云圖中，兩端靠近腔壁處的壓強相比于內(nèi)部壓強略大，形成明顯的壓力邊界.3個壓縮空氣入口處的壓力高達0.83MPa左右，噴嘴上游流場也是處于綠色區(qū)域0.43MPa附近.壓縮氣流與空氣變形絲氣流入口相匯處氣壓處于黃色區(qū)域近似為0.51MPa，而在噴嘴下游出口流場處為深藍色，甚至為負(fù)壓.該流場中最高壓力達0.83MPa左右，最低壓力為0.25MPa左右，甚至更低，使得該噴嘴流場上下游能夠產(chǎn)生足夠大的壓力差，這是產(chǎn)生超音速氣流的充要條件.這與空氣變形噴嘴流道內(nèi)流場必須處于超音速狀且其流道的幾何條件必須為漸縮、漸闊型的拉法爾管相符合.

圖5 壓力云圖Fig.5 Cloud chart of pressure

根據(jù)上述數(shù)值分析可知，絲束通過噴嘴時，噴射氣流和絲圈張力之間的作用，連續(xù)不斷地改變單絲在噴嘴中的位置使其在噴嘴中發(fā)生周期性的擾動，而噴嘴內(nèi)部的湍流氣體在徑向和軸向都存在很大的壓力和速度梯度［13］，所以不同單絲在不同方向上產(chǎn)生不同的滑移量，這就有利于單絲間的纏繞，這種纏繞在穩(wěn)定流場下利于形成穩(wěn)定的絲圈.

3 結(jié) 論

（1）Fluent軟件能夠很好地對空氣變形噴嘴內(nèi)流道流場進行模擬.

（2）通過Fluent軟件模擬可以直觀清楚地觀察到噴嘴復(fù)雜的內(nèi)流場情況，對噴嘴內(nèi)流道結(jié)構(gòu)改進有很好的參考價值.

（3）噴嘴的出口流場是超音速和亞音速的混合流場，并存在很大壓力梯度和速度梯度.噴嘴的流場上下游產(chǎn)生足夠大的壓力差.在超音速和亞音速氣流的混合作用下產(chǎn)生強烈的湍流，有利于紗線絲束的膨松和纏結(jié)，從而利于形成穩(wěn)定絲圈.

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