噴氣織機輔助噴嘴流場特性與耗氣量分析

張 敏， 王鴻博， 高衛東， 陳巧蘭

(1. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122；2. 江南大學 江蘇省功能紡織品工程技術研究中心， 江蘇 無錫 214122)

噴氣織機輔助噴嘴流場特性與耗氣量分析

張 敏1,2， 王鴻博1,2， 高衛東1,2， 陳巧蘭1,2

(1. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122；2. 江南大學 江蘇省功能紡織品工程技術研究中心， 江蘇 無錫 214122)

為研究輔助噴嘴幾何結構對噴嘴噴射效果及耗氣量的影響，采用CFD軟件Fluent對噴氣織機輔助噴嘴流場進行數值模擬，獲得了輔助噴嘴在不同供氣壓力、出口截面積、出口形狀及噴射角下的緯紗飛行軸線氣流速度分布。結果表明：隨壓力增大，射流速度的提升逐漸變弱，耗氣量隨壓力呈正相關變化；噴嘴出口截面積影響射流速度和持續性，隨截面積增加耗氣量不斷增大；截面積一定時，出口形狀變化對筘槽內流場影響較小；緯紗飛行方向上氣流速度及峰值位置隨噴射角而變化，在實驗范圍內,噴射角越大耗氣量越小，選擇合適的輔助噴嘴和引緯工藝，是實現噴氣織機高質低耗目標的關鍵。

噴氣織機； 輔助噴嘴； 流場； 耗氣量

“主噴嘴+異形筘+輔助噴嘴接力氣流引緯”是新型噴氣織機主要的引緯方式[1]。氣流經主噴嘴整流加速使緯紗由靜止加速到飛行速度，但其對緯紗的作用是暫時性的，只有依靠經輔助噴嘴噴出的高速氣流與緯紗間產生的摩擦牽引力才能將緯紗順利送過織口。輔助噴嘴結構性能的好壞直接影響噴氣織機的引緯質量和織機能耗[2-3]，因此通過研究不同結構噴嘴的流場特性從而選擇性能優良的噴嘴對提高織機效率至關重要。目前對于輔助噴嘴外流場的研究主要有理論分析、數值模擬以及實驗測試3種方法[4]。理論方面由于沒有建立完整的數學模型而不能詳盡地表述流場流體流動的狀態；通過實驗測量輔助噴嘴的小孔徑高速氣流也具有相當難度[5]，尤其是對筘槽內緯紗飛行軸線上射流的測量更是難度極大，而且放于流場中的測量管也會對流場造成一定的干擾而導致測試結果具有較大誤差；而利用CFD軟件Fluent對噴氣織機噴嘴的內、外部流場進行研究已經成為近幾年的熱點，相關研究人員也通過此方法獲得了一系列重要的結論，證明了該方法的可行性和有效性[6-8]。

由輔助噴嘴噴出的高速射流擴散進入筘槽后與緯紗接觸并與緯紗間產生摩擦牽引力，牽引緯紗飛過織口，因此討論射流在筘槽內的分布情況更為實際。由于緯紗在筘槽內飛行時受到接連不斷的輔助力，紗線頭端與紗體速度不一致造成緯紗在引緯通道內波浪式起伏前進，因此本文在分析筘槽內緯紗飛行方向氣流的分布情況時，假定緯紗是沿主噴嘴軸線方向在通道內呈直線狀態飛行的[5]。本文利用Fluent軟件對輔助噴嘴與異形筘的組合流場進行數值模擬，計算出筘槽內緯紗飛行軸線上氣流的速度分布情況，分析了供氣壓力、出口截面積、出口形狀及噴射角度對噴嘴外流場特性的影響，為輔助噴嘴的優化設計及引緯參數的選擇提供參考。

1 輔助噴嘴流場數值模擬

1.1 流場模型建立

圖1示出在SolidWorks中建立的單圓孔輔助噴嘴與異形筘的組合流場模型。考慮到在鋼筘與上下層經紗構成的引緯通道中，氣流主要在U形槽附近流動，在接近上下層經紗的地方氣流速度幾乎為0，因此建模時忽略上下層對氣流速度及分布的影響，簡化流場模型。其中：引緯通道總長度為90 mm，左側通道出口距輔噴噴孔的距離為10 mm，右側出口距離噴孔距離為80 mm。

建立三維模型時除輔助噴嘴噴孔直徑、噴孔形狀及噴射面傾角改變外，模型其他參數均保持一致。表1示出各輔助噴嘴的幾何結構參數。圖2示出各輔助噴嘴噴孔結構示意圖。建立好的模型文件導入到Hypermesh中進行網格劃分。為保證噴管頭端及異形筘U形槽結構中曲面部分的網格能夠很好地與幾何面貼合，選擇依照曲率劃分的方法[9]，將組合流場模型的網格數量控制在150萬左右。

表1 輔助噴嘴幾何結構參數Tab.1 Geometry parameters of auxiliary nozzle

注：l為D形孔矩形部分邊長；r為D形孔半圓部分半徑。

1.2 流場數值模擬與分析

輔助噴嘴噴管內流場為可壓縮黏性流體，外流場氣流屬于充分發展的高雷諾數的湍流，因此采用RNGk-ε雙方程模型計算[10]。計算時設定噴嘴底部入口面為壓力入口，模型中引緯通道右側面為壓力出口。

壓縮空氣經輔噴嘴加速后由噴孔射出，從較小速度迅速增加至峰值，射流進入筘槽后由于卷吸和擴散作用速度逐漸降低，衰減速率隨噴嘴結構的變化而變化。數值計算完成后，利用Tecplot后處理軟件提取引緯通道內緯紗飛行軸線上氣流的運動規律，進行對比分析。

2 輔助噴嘴氣流特性分析

根據模擬結果繪制緯紗飛行軸線氣流速度曲線圖，詳細闡述不同供氣壓力、出口截面積、出口形狀、噴射角度對輔助噴嘴流場的影響。

2.1 供氣壓力對輔噴嘴流場的影響

以單圓孔輔助噴嘴(Ⅱ型，噴射角為6°)為研究對象。改變噴嘴的供氣壓力，分別以0.2、0.3、0.4及0.5 MPa等4種水平進行數值計算，研究氣壓對輔助噴嘴流場的影響。圖3示出不同供氣壓力下緯紗飛行軸線上氣流速度的模擬值。

由圖3可知，在不同的輔噴嘴供氣壓力下，緯紗飛行軸線上的氣流速度隨壓力的增大而逐漸提升，衰減速度隨之減緩。截取距噴嘴出口20～75 mm段氣流速度并取平均值可得，0.2、0.3、0.4、0.5 MPa時緯紗飛行方向氣流的平均速度分別為96、129、148、156 m/s，速度平均值增長率由34.58%逐漸減小到5.4%，說明當輔助噴嘴供氣壓力增加到一定值后，繼續增加氣壓對進一步提升氣流速度意義不大。

2.2 出口截面積對輔噴嘴流場的影響

以D形孔輔助噴嘴為研究對象，選擇D型Ⅰ、D型Ⅱ、D型Ⅲ 3種工況的輔助噴嘴，對應出口截面積為SⅠ=1.165 3 mm2、SⅡ=1.469 3 mm2、SⅢ=1.644 8 mm2。設定噴嘴供氣壓力為0.3 MPa，研究出口截面積對輔助噴嘴流場的影響。圖4示出不同出口截面積下緯紗飛行軸線上氣流速度的模擬值。

由圖4可知，緯紗飛行軸線上的氣流速度隨出口截面積的增大而逐漸增加，衰減速度隨之減緩。D型噴嘴Ⅰ的氣流速度下降最快，其最大速度也最小；D型Ⅲ在緯紗飛行方向上最大速度大于噴嘴Ⅱ，但其氣流下降速度也快于Ⅱ型噴嘴。截取距噴嘴出口20～75 mm段的氣流速度并取平均值可得，3種不同出口截面積噴嘴在緯紗飛行方向氣流的平均速度為98、125、122 m/s，說明當輔噴嘴出口截面積增大時，能夠提升筘槽內緯紗飛行方向氣流的速度，進而增大氣流與緯紗間的摩擦牽引力；但當截面積增加超過一定值時，氣流平均速度出現負增長，同時氣流衰減速率加快，不利于引緯的順利進行。

2.3 出口形狀對輔噴嘴流場的影響

以單圓孔(Ⅱ型)、16圓孔、D形孔(Ⅳ型)3種不同孔型的輔助噴嘴為研究對象。設定噴嘴出口截面積一致，為1.766 mm2，供氣壓力為0.3 MPa，噴孔的具體參數如表1所示。圖5示出不同出口形狀下緯紗飛行軸線上氣流速度的模擬值。

由圖5可知，在不同輔助噴嘴出口形狀下，緯紗飛行軸線上的氣流速度曲線差異較小，衰減速度也趨于相同。與其他孔型噴嘴相比較，單圓孔噴嘴氣流速度的強度和延續性更強。截取距輔助噴嘴出口20～75 mm段的氣流速度并取平均值可得，3種不同出口形狀的輔助噴嘴在緯紗飛行方向氣流的平均速度分別為132、126、123 m/s，速度差異較小，說明當輔助噴嘴出口形狀改變時，對射入筘槽內引緯氣流段速度的大小影響很小，但從氣流的集束性以及引緯的穩定性方面考慮，單孔噴嘴集束性優于多孔和D型孔，基于較大的氣流速度，單孔噴嘴對緯紗質量的要求也最為嚴格。

2.4 噴射角對輔噴嘴流場的影響

以4種不同噴射角的單圓孔輔助噴嘴為研究對象。設定輔噴嘴供氣壓力為0.3 MPa，噴射角為3°、6°、9°、12°。圖6示出不同噴射角下緯紗飛行軸線上氣流速度的模擬值。

由圖6可知，當噴射角為3°時，緯紗飛行方向上氣流最大值達到183 m/s，出現在距噴嘴出口40 mm左右處，而當噴射角為9°時，緯紗飛行方向上氣流最大值達到165 m/s，出現在距噴嘴出口30 mm處，說明輔助噴嘴噴射角越大，噴射氣流在筘槽內緯紗飛行軸線上的氣流分量就越小，氣流最大值出現的位置越靠近噴嘴方向。截取距輔助噴嘴出口20～75 mm段的氣流速度并取平均值可知，當噴射角由3°增加為6°時，氣流平均速度有小幅度增加，增長率為1.6%，當噴射角由6°增加到9°時，平均速度有較大幅度的下降，增長率為-6.9%，而當噴射角由9°增加到12°時，氣流平均速度略有下降。可得出：緯紗飛行軸線上的氣流速度隨輔助噴嘴噴射角的增大而減小。噴射角較小時，適當增大角度可提升氣流速度；當噴射角較大時，增大噴射角反而使得筘槽內氣流速度降低，且隨著角度的增大，這種降低的趨勢越不明顯。

3 影響輔助噴嘴耗氣量的因素分析

3.1 供氣壓力對噴嘴耗氣量的影響

圖7示出不同供氣壓力下輔噴嘴耗氣量與氣流平均速度的對照。由圖可知，隨供氣壓力的逐漸增大，輔助噴嘴的耗氣量增加，筘槽內氣流平均速度也逐漸增大。當壓力由0.2 MPa增加到0.3 MPa時，耗氣量增長率為21.1%，氣流平均速度增加36.3%；當供氣壓力大于0.3 MPa時，隨供氣壓力的增大，氣流平均速度增長率減小，而耗氣量不斷增加。可得出：增大輔助噴嘴的供氣壓力，在一定程度可提升射流的平均速度，但隨壓力的不斷增加，筘槽內氣流平均速度逐漸趨于穩定，噴嘴耗氣量不斷增加，因此，在生產中需要根據織機速度和引緯時間合理選擇供氣壓力，在保證順利引緯的前提下盡可能降低氣壓，即降低織機氣耗。

3.2 出口截面積對噴嘴耗氣量的影響

圖8示出不同出口截面積下輔噴嘴耗氣量與氣流平均速度的對照。由圖可知，隨輔助噴嘴出口截面積的不斷增加，筘槽內氣流平均速度先增加后逐漸減小，面積為1.469 mm2(D型Ⅱ)的輔助噴嘴氣流平均速度最大，達到114 m/s，但其耗氣量卻小于平均速度相近的噴嘴D型Ⅲ，因此，在生產中，需要考慮緯紗性能、織機能耗等因素合理選擇輔助噴嘴出口截面積，避免因噴嘴出口截面積過小造成的射流流量不足、擴散迅速等問題，亦要避免噴嘴出口截面積過大引起的射流集束性降低和氣耗大等問題，從而實現生產效率和生產質量的最優化。

3.3 出口形狀對噴嘴耗氣量的影響

圖9示出不同出口形狀下輔噴嘴耗氣量與氣流平均速度的對照。由圖可知，在相同出口截面積下，不同出口形狀輔助噴嘴射流在筘槽內的平均速度各不相同，由單圓孔時的124 m/s減小到16孔時的116 m/s而后又增加為D形孔時的123 m/s，總體速度變化幅度小。耗氣量的差異較為明顯，在相同條件下，單圓孔與D形孔的耗氣量基本相同，在1.56 m3/h左右，而16孔噴嘴耗氣量只有1.5 m3/h，小于其他二者。原因在于16孔噴嘴噴射面上孔型分布較為密集，各小孔間射流相互干擾，耦合影響較大，造成噴嘴流量減小，因此，在生產中若單純通過改變噴嘴出口形狀以期達到提高射入筘槽氣流的速度以及引緯質量是較難實現的，在選擇時需要優先考慮緯紗性質及耗氣量，以達到噴氣引緯高質低耗的要求。

3.4 噴射角度對噴嘴耗氣量的影響

圖10示出不同噴射角下輔噴嘴耗氣量與氣流平均速度的對照。由圖可知，隨輔助噴嘴噴射角的逐漸增加，輔助噴嘴射流在筘槽內的速度先增加后逐漸減小，噴嘴耗氣量呈不斷減小趨勢，尤其當噴射角由6°增加到9°時，氣流平均速度與耗氣量均發生顯著的降低。這是由于噴射角越大，經輔助噴嘴噴出的高壓射流與鋼筘上唇的碰撞越激烈，經過碰撞的氣流一部分通過筘片間隙逸出，大部分則會反射回筘槽內，最終導致氣流量不斷減少，因此，在生產中需要考慮織機能耗以及織物質量合理選擇噴射角度，避免因角度過小造成緯紗無法懸浮及能耗過大的問題，也要避免角度過大引起的引緯筘槽內氣流速度較小、不利于引緯等問題。

4 結 論

對噴氣織機輔助噴嘴外流場進行數值模擬，通過分析輔助噴嘴在不同供氣壓力、出口截面積、出口形狀以及噴射角度等條件下緯紗飛行軸線上氣流速度的分布和變化，綜合單個輔助噴嘴的耗氣量，得到各參數對輔助噴嘴流場的影響，結論如下。

1)輔助噴嘴供氣壓力對筘槽內氣流的影響較大，噴射氣流的速度隨供氣壓力的增加先增大后保持相對穩定，耗氣量隨壓力的增加不斷增大。在生產實踐中選擇供氣壓力時應充分考慮織造品種、織機車速、引緯質量及織機能耗等因素，其中壓力選擇不可過大，一般在(0.4±0.05)MPa的范圍內選擇，在保證順利引緯的前提下，適當降低壓力，減小氣耗。

2)輔助噴嘴出口截面積對筘槽內氣流的速度及穩定性影響較大，截面積過小，筘槽內氣流速度小，衰減速度快；截面積過大，氣流集束性差，速度衰減加快，氣耗增加。在實際生產中選擇輔助噴嘴時應遵循適中原則，需要對噴嘴加以優選甄別。

3)在出口截面積相同的情況下，出口形狀的改變對噴嘴外流場的氣流速度的大小影響較小，但對氣流的集束性、引緯穩定性及噴嘴的耗氣量影響較大，尤其是多孔噴嘴，在選擇時需充分考慮緯紗質量以及織造成本。

4)輔助噴嘴噴射角影響噴射氣流在筘槽內緯紗飛行軸線上的速度分量大小及氣流速度峰值的位置，從而間接影響緯紗在筘槽內的飛行路徑。噴射氣流在筘槽內的平均速度及噴嘴耗氣量均隨噴射角的增大而減小，因此在選擇噴射角時應綜合考慮能耗和引緯效率等因素，取噴射角為6°最佳。

5)生產實際中，通過降低輔助噴嘴供氣壓力來減小噴氣織機能耗是最為直接有效和方便的方法。生產織造時，應在綜合考慮噴嘴的結構、織機的運轉速度、織造品種等因素的基礎上，選擇合適的供氣壓力，實現生產效率和生產質量的最優化。

FZXB

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Analysis on weft insertion flow field and gas consumption of auxiliary nozzle in air-jet loom

ZHANG Min1,2， WANG Hongbo1,2， GAO Weidong1,2， CHEN Qiaolan1,2

(1.KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China; 2.JiangsuEngineeringTechnologyResearchCenterforFunctionalTextiles,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

In order to study the influence of the auxiliary nozzle geometric structure on the nozzle jet effect and air consumption, the weft insertion flow field of the auxiliary nozzle was simulated with CFD software Fluent. The velocity distributions on the axis of weft flying of auxiliary nozzle under different conditions, such as the input air pressure, the outlet cross-sectional area, the outlet shape and the spray angle of auxiliary nozzle, are obtained. Results indicate that, with the increasing of input air pressure, the velocity of airflow is improved, while the increasing rate has been decreased. Gas consumption varies with the pressure positively. The velocity and sustainability of the air flow are determined by outlet cross-sectional area of auxiliary nozzle, and the air consumption is increasing with the growth of the cross-sectional area. For a given outlet cross-sectional area, various outlet shapes of auxiliary nozzle make little difference on the flow fields. Different nozzle spray angles correspond to different velocities and peak positions on the direction of weft flying, and the air consumption is reduced with the increasing of spray angle in the experimental range. Therefore, appropriate auxiliary nozzle and weft insertion process play a critical role of achieving high air-jet loom quality and low consumption.

air-jet loom; auxiliary nozzle; flow field; gas consumption

10.13475/j.fzxb.20160203006

2016-02-26

2016-07-29

國家自然科學基金項目(31270632)；中央高校基本科研業務項目(JUSRP51515,JUSRP51622A)；江蘇省產學研項目(BY2014023-24)

張敏(1991—)，女，碩士生。研究方向為織造技術。王鴻博，通信作者，E-mail: wxwanghb@163.com。

TS 101.2

A