噴氣織機輔助噴嘴與異形筘結構參數對流場的影響

張 亮， 馮志華， 張曉飛， 劉 帥

(蘇州大學 機電工程學院， 江蘇 蘇州 215021)

噴氣織機輔助噴嘴與異形筘結構參數對流場的影響

張 亮， 馮志華， 張曉飛， 劉 帥

(蘇州大學 機電工程學院， 江蘇 蘇州 215021)

為深入理解輔助噴嘴引緯流場特性以及相關結構參數的影響作用，以便為引緯工藝的改善提供參考，根據實際引緯情形建立輔助噴嘴與異形筘組合流場模型。利用計算流體動力學軟件Fluent對組合流場進行數值模擬，得到組合流場射流中心線上的速度分布，并通過實驗驗證數值模擬的合理性。以此為基礎，探究異形筘下唇傾角以及輔助噴嘴噴孔與異形筘壁的距離對組合流場的影響。結果表明：輔助噴嘴組合流場出口速度的實驗值小于數值模擬值，但二者整體上具有較好的一致性。供氣壓力為0.3 MPa和0.4 MPa時，異形筘下唇傾角為12°和3°時的氣流速度為最優，同時輔助噴嘴噴孔與異形筘壁間的合適距離為9 mm與10 mm。

輔助噴嘴； 異形筘； 數值模擬； 流場； 噴氣織機

在異形筘式噴氣織機上，緯紗飛進梭口依靠主噴嘴正確輸送至異形筘槽，再由若干組輔助噴嘴以接力的方式送過梭口[1]。由此可見，對輔助噴嘴與異形筘組合流場的研究能加深對輔助噴嘴引緯過程的認識。目前，關于組合流場的研究主要集中在對筘槽內氣流狀態的分析方面，如通過測量筘槽內氣流分布來說明流場的形成機制[2]，研究射流交角與相鄰輔助噴嘴的間距對筘槽內氣流的影響[3]以及不同供氣壓力、測點位置和噴向角對引緯氣流的影響[4-5]等。此外，文獻[6]利用高速攝像系統與氣壓測試裝置驗證了筘槽內引緯流場中的緯紗呈螺旋飛行狀態，且存在波動現象。蘇州大學也做了較多相關研究，包括主噴嘴引緯流場的分析以及相關實驗平臺的搭建[7-8]、一種新型主噴嘴結構[9]以及輔助噴嘴引緯流場特性研究[10-11]，從緯紗牽引角度對引緯流場性質描述[12-13]等。

本文運用Fluent軟件對輔助噴嘴與異形筘組合流場進行數值模擬，首先得到中心線流速分布，并通過實驗進行了測試驗證，結果證明數值模擬是可行的，能夠反映引緯流場的規律和性質。隨后探究了異形筘下唇傾角與輔助噴嘴孔眼與異形筘槽壁的距離對組合流場的影響，以期為輔助噴嘴引緯工藝的改善提供參考。

1 輔助噴嘴組合流場結構及模型

1.1 輔助噴嘴組合流場結構

本文以圖1所示的輔助噴嘴和異形筘實物為原型，根據其尺寸設計組合流場三維模型用于數值模擬，并利用其進行實驗測試。

圖1 輔助噴嘴和異形筘實物

1.2 輔助噴嘴組合流場模型

利用Pro/E三維軟件建立輔助噴嘴與異形筘組成的組合流場三維模型，由于異形筘是由多個筘片組合而成，筘齒間有一定的間隙，因此，按照異形筘標準建立的模型較為復雜，其網格劃分難度大，且網格數量多，不易于數值模擬，故參照文獻[8]，將異形筘表面當作壁面處理，并忽略其筘齒間隙，這樣可減少數值運算的復雜程度，且不影響數值模擬結果。最終所建輔助噴嘴組合流場模型如圖2所示。

由于輔助噴嘴射流中心線存在一定偏角，因而較難確定其射流中心線速度，故本文以輔助噴嘴噴孔幾何中心每5 mm間隔作為度量，再將不同截面的最大射流速度擬合成射流中心線速度分布，結果如圖3所示。

圖3 輔助噴嘴組合流場模型結構

2 輔助噴嘴組合流場模擬及驗證

2.1 輔助噴嘴組合流場數值模擬

運用Fluent軟件對輔助噴嘴組合流場進行數值模擬前，需要對三維流場模型進行網格劃分。通過專業網格劃分軟件Hypermesh處理得到網格模型，如圖4所示。最后將其導入Fluent中求解計算，具體參數設置參考文獻[10]。

圖4 輔助噴嘴組合流場有限元模型

2.2 實驗測試原理及設備

根據Bernoulli方程，得到總壓與靜壓之差(即動壓)，便可求出氣流速度，本文實驗利用畢托管測出相應壓差，通過CYR-2D差壓變送器輸入到INV306采集儀中，再由DASP V10進行信號采集和數據分析，可得到總壓與靜壓之差，再由下式獲得氣流速度：

式中：k為畢托管修正系數；ρ為氣流密度，kg/m3；p為測得的總壓與靜壓之差，Pa。

本文實驗所采用的測試裝置如圖5所示。

圖5 輔助噴嘴組合流場實驗測試裝置

2.3 模擬結果和實驗結果比較

本文對0.2、0.3、0.4 MPa供氣壓力下的輔助噴嘴組合流場進行數值模擬與實驗測試，得到射流中心線速度分布曲線，如圖6所示。

圖6 組合流場射流中心線上的速度分布

由圖6(a)可知，當供氣壓力為0.2 MPa時，出口最大速度模擬值為300 m/s，實驗測試值為282 m/s；由圖6(b)可知，當供氣壓力為0.3 MPa時，出口最大速度模擬值為379 m/s，實驗測試值為339 m/s；由圖6(c)可知，當供氣壓力為0.4 MPa時，出口最大速度模擬值為406 m/s，實驗測試值為344 m/s。畢托管尺寸在一定程度上影響流場的流動特性，特別在靠近出口處，且輔助噴嘴噴口直徑較小，因而導致出口速度實驗測試值小于數值模擬值，其差值隨供氣壓力增大而變大。同時也在一定程度上影響了輔助噴嘴近距離流場的變化，從而導致近距離速度誤差較大。根據圖6可知，在3種供氣壓力下，二者速度曲線雖然存在一定差距，但是速度總體衰減趨勢仍能夠較好地吻合，因此在一定程度上說明，利用Fluent軟件對輔助噴嘴組合流場進行數值模擬具有一定的可行性和合理性。

3 輔助噴嘴組合流場影響因素

本文在通過Fluent軟件進行輔助噴嘴組合流場模擬的基礎上，進一步研究了異形筘下唇傾角和輔助噴嘴噴孔與異形筘壁的距離對輔助噴嘴組合流場的影響。

3.1 異形筘下唇傾角的影響

異形筘結構如圖7所示。通常異形筘的上唇水平，而下唇因不同產品型號或廠家有著不同的傾角。雖然從減少氣流擴散角度來講，下唇傾角為0°時較為適宜，但是不同下唇傾角會對輔助噴嘴組合流場的氣流速度產生影響。

圖7 異形筘結構

目前，常見的異形筘的下唇傾角最大一般為12°[1]，故本文分別研究了傾角為0°、3°、6°、9°、12°這5種不同角度對組合流場氣流速度的影響，通過對0.3、0.4 MPa供氣壓力下的數值模擬，得到氣流速度分布曲線，如圖8所示。

圖8 不同下唇傾角的氣流速度曲線

由圖8(a)可得，在供氣壓力為0.3 MPa下，不同傾角的氣流速度曲線的變化趨勢大致相同。傾角為12°時，其氣流速度達到最佳，其次為3°；傾角為9°時，其氣流速度達到最差，尤其在前半段距離上的速度遠低于其余4種情形；傾角為0°與傾角為6°的氣流速度分布較為相似，且二者氣流速度良好。

由圖8(b)可得，在供氣壓力為0.4 MPa下，傾角為0°、3°和6°時，3種情形下的氣流速度衰減趨勢大致相同，其中傾角為3°時的氣流速度相對最佳，而傾角為6°時最差；傾角為12°時，其氣流速度在前半段距離內表現最優，但后半段氣流速度遠低于其余4種情形；傾角為9°時，其氣流速度在大于65 mm距離上較為突出，但在前段距離內的氣流速度遠小于其他4種情形。

3.2 輔助噴嘴與異形筘壁距離的影響

圖9示出輔助噴嘴實際引緯的結構簡圖。包括輔助噴嘴、異形筘以及由上下經紗層形成的梭口。其中，輔助噴嘴相對于異形筘的安裝距離對引緯氣流有著重要影響，合適的距離能夠較好地保證引緯質量。

圖9 輔助噴嘴與異形筘間的距離

本文以輔助噴嘴噴孔中心到異形筘壁的距離為研究對象，分析了8、9、10、11、12 mm這5種不同距離對組合流場氣流速度的影響，通過對0.3、0.4 MPa供氣壓力下進行數值模擬得到氣流速度分布曲線，如圖10所示。

圖10 不同距離下的氣流速度曲線

由圖10(a)可知，在供氣壓力為0.3 MPa下，總體呈現出氣流速度隨安裝距離減小而增大的趨勢。距離為11 mm和12 mm時，由于輔助噴嘴離異形筘較遠，其氣流速度相對較差，尤其在50 mm距離內的速度遠低于其他3種情形；距離為10 mm時，其氣流速度雖好于距離為11 mm和12 mm時的情形，但是相對于距離為8 mm和9 mm的情形仍有一定的差距；距離為8 mm和9 mm時，二者氣流速度曲線重合度較高，性能較為接近，但是在8 mm的距離下，中心速度曲線過于靠近筘槽壁，不利于引緯，因此，距離為9 mm相對好于8 mm。

由圖10(b)可知，在供氣壓力為0.4 MPa下，氣流速度變化趨勢隨安裝距離減小而增大，但在后半段距離上不同安裝距離的氣流速度的差距相對較小。距離為11 mm和12 mm時，隨著供氣壓力增大，其氣流速度與其余3種情形的差距也增大；距離為8 mm和9 mm時，二者氣流速度好于其余情形，雖然距離為9 mm的速度略低于8 mm時，但能較好地保證緯紗通過筘槽；距離為10 mm時，其氣流速度介于最好與最差之間。

4 結 論

1)輔助噴嘴組合流場的實際出口速度低于數值模擬值，其差值在供氣壓力較大時較為明顯，但二者的總體變化趨勢一致。

2)供氣壓力為0.3 MPa時，下唇傾角為12°下的氣流速度相對最優；供氣壓力為0.4 MPa時，下唇傾角為3°下的氣流速度相對最優。

3)供氣壓力為0.3、0.4 MPa時，輔助噴嘴噴孔中心到異形筘壁的距離為9 mm下的氣流速度相對最優；距離為10 mm下的氣流速度相對穩定。

4)利用計算流體動力學軟件Fluent對輔助噴嘴組合流場進行數值模擬具有一定的可行性和合理性，其結果值得參考。

FZXB

[1] 張平國. 噴氣織機引緯原理與工藝[M].北京：中國紡織出版社，2005：28. ZHANG Pingguo. Principle and Technology of Weft Insertion in an Air-jet Loom[M]. Beijing: China Textile & Apparel Press，2005:28.

[2] MINORU Uno. A study on an air-jet loom with substreams added，part 3:synthesis of substreams[J]. Journal of the Textile Machinery Society of Japan， 1972(4): 106-113.

[3] 王偉賓. 噴氣織機輔助噴嘴對流場速度分布的影響[J].紡織學報，2001，22(6)：27-29. WANG Weibin. A study on the influence of relay nozzle parameters on distribution of field velocity in the weft-insertion zone of air-jet looms[J].Journal of Textile Research，2001，22(6):27-29.

[4] 祝章琛，黃福榮，周紀勇，等. 噴氣織機引緯筘槽內氣流狀態的測試分析[J].紡織學報，2010，31(6)：120-123. ZHU Zhangchen，HUANG Furong，ZHOU Jiyong，et al. Test and analysis on airflow state in reed groove of air jet looms[J].Journal of Textile Research，2010，31(6):120-123.

[5] 薛文良，祝章琛，黃福榮，等. 噴氣織機引緯筘槽內氣流狀態的影響因素[J]. 紡織學報，2010，31(5)：117-121. XUE Wenliang，ZHU Zhangchen，HUANG Furong，et al. Analysis of factors influencing flow in reed groove of air jet loom[J]. Journal of Textile Research，2010，31(5):117-121.

[6] 陳雪善，盧躍華，祝成炎. 筘槽內引緯氣流場分布及其對緯紗飛行的影響[J].紡織學報，2009，30(7)：31-33. CHEN Xueshan，LU Yuehua，ZHU Chengyan. Air flow field in unconventional shaped reed and its influence on weft yarn flying[J].Journal of Textile Research，2009，30(7): 31-33.

[7] 劉丁丁. 噴氣織機引緯流場的數值與實驗研究及主噴嘴結構優化[D].蘇州：蘇州大學，2012：28-31. LIU Dingding．Numerical and experimental analysis of weft insertion flow field and structure optimization of main nozzle in an air-jet loom[D].Suzhou: Soochow University，2012:28-31.

[8] 董騰中，馮志華，王衛華，等. 噴氣織機主噴嘴引緯流場數值模擬與實驗驗證[J].紡織學報，2014，35(5)：126-131. DONG Tengzhong，FENG Zhihua，WANG Weihua，et al. Numerical simulation and experimental verification of weft insertion flow field of main nozzle in air-jet loom[J]. Journal of Textile Research，2014，35(5):126-131.

[9] CHEN Liang，FENG Zhihua，DONG Tengzhong，et al. Numerical simulation of the internal flow field of a new main nozzle in an air-jet loom based on Fluent[J]. Textile Research Journal，2015，85(15)：1590-1601.

[10] 譚保輝，馮志華，劉丁丁，等. 基于CFD的噴氣織機輔助噴嘴流場分析[J].紡織學報，2012，33(7)：125-130. TAN Baohui，FENG Zhihua，LIU Dingding，et al. Flow field analysis of auxiliary nozzle of air-jet loom based on CFD[J].Journal of Textile Research，2012，33(7):125-130.

[11] 王衛華，馮志華，譚保輝，等. 噴氣織機輔助噴嘴流場特性分析與緯紗牽引實驗研究[J]. 紡織學報，2014，35(10)：121-128.

WANG Weihua，FENG Zhihua，TAN Baohui，et al. Characteristic analysis of flow field and experimental investigation on traction force of weft yarns of auxiliary nozzle in an air-jet loom[J]. Journal of Textile Research，2014，35(10):121-128.

[12] 路翔飛，馮志華，孫中奎，等. 基于Fluent的噴氣織機主噴嘴緯紗牽引力分析與計算[J]. 紡織學報，2011，32(9)：125-129. LU Xiangfei，FENG Zhihua，SUN Zhongkui，et al. Calculation and analysis of weft insertion force for air-jet loom′s main nozzle based on Fluent[J]. Journal of Textile Research，2011，32(9):125-129.

[13] 徐存強，馮志華，董騰中，等. 氣流引緯主噴嘴內氣流速度與緯紗間摩擦因數的關系[J].紡織學報，2013，34(11)：147-152. XU Cunqiang，FENG Zhihua，DONG Tengzhong，et al. Relationship between friction coefficients of weft yarns and velocity of air-flow in main nozzle during weft insertion[J]. Journal of Textile Research，2013，34(11):147-152.

Influence of auxiliary nozzle and profiled reed in air-jet loom on flow field

ZHANG Liang， FENG Zhihua， ZHANG Xiaofei， LIU Shuai

(CollegeofMechanicalandElectricEngineering,SoochowUniversity,Suzhou,Jiangsu215021,China)

In order to deeply understand the properties of weft insertion flow field of auxiliary nozzle and the effects of correlative structure parameter，and further provide basis for improving the craftwork of weft insertion, the flow field model of a combination of auxiliary nozzle and profiled reed is built according to the actual condition of weft insertion. The numerical simulation is carried out by the computational fluid dynamics software called Fluent. The velocity distribution curve of the combinational flow field centerline is obtained and the rationality of numerical simulation is verified by experiment. On this basis, further research about the effect of the underlip obliquity of profiled reed and the distance between auxiliary nozzle and profiled reed on the combinational flow field is implemented. The results showed that experimental velocity is lower than simulative velocity at the outlet of auxiliary nozzle, but they are in good agreement as a whole. When the air supply pressure is 0.3 MPa and 0.4 MPa, the air velocity performance of 12 degrees and 3 degree of the underlip obliquity is optimal, respectively. Moreover, the suitable distance between auxiliary nozzle and profiled reed is 9 mm or 10 mm.

auxiliary nozzle； profiled reed； numerical simulation； flow field； air-jet loom

10.13475/j.fzxb.20150904006

2015-09-18

2016-03-27

張亮(1990—)，男，碩士生。研究方向為新型紡織機械、機電系統動態行為及其控制。馮志華，通信作者，E-mail:zhfeng@suda.edu.cn。

TS 101.2

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