噴氣織機延伸噴嘴內氣流場特性分析

2019-04-25 03:23:28廣少博金玉珍祝曉晨

紡織學報 2019年4期

廣少博，金玉珍，祝曉晨

(浙江理工大學機械與自動控制學院，浙江杭州 310018)

玻璃纖維織物具有絕緣、絕熱、抗腐蝕、耐高溫、高強度等性能，被廣泛應用于空氣過濾、隔熱、阻燃窗簾和增強印刷電路板等領域。玻璃纖維噴氣織造速度快，纖維的磨損可達到最小化，但由于玻璃纖維間的抱合力相對于有捻纖維來說較弱，紗頭部分不易集聚。在噴氣織造過程中，引緯氣流力對玻璃纖維運動影響極大，纖維易離散，甚至使其輸送過程中斷[1]，因此，如何合理布置引緯系統氣流場參數，對于玻璃纖維的噴氣織造具有重要意義。目前對噴氣織機引緯系統的研究主要采用數值模擬和實驗研究的方法。

國內外不少學者借助ANSYS等工具，建立主噴嘴、輔噴嘴和異型筘槽氣流場模型，采用數值模擬方法對噴氣織機引緯系統的氣流場進行研究，分析主噴嘴[1]、輔噴嘴[2]、單主噴和多輔噴[3-4]以及異型筘槽內的氣流場特性[5-6]。此外，一些學者還利用畢托管和激光多普勒測速儀等儀器測量了異型筘槽內的氣流速度，分析不同供氣壓力、不同輔噴嘴間距對異型筘槽內氣流特性的影響[7-9]，確定主噴嘴和輔噴嘴氣流在異型筘槽內交匯時的最佳交匯角[10]。

現有的研究主要是對主噴嘴、輔噴嘴和異型筘槽進行研究，主要針對引緯系統的前中部氣流場，而對引緯系統末端的氣流場研究較少。本文通過對放置在引緯系統末端的延伸噴嘴內氣流場進行研究，確定延伸噴嘴在異型筘槽中的最佳位置，優化延伸噴嘴結構，提高引緯系統末端對緯紗的拉伸牽引力，優化引緯末端的氣流場，以期為玻璃纖維噴氣織造的實現提供一定的理論參考。

1 幾何模型和網格劃分

1.1 延伸噴嘴幾何模型

延伸噴嘴三維示意圖與延伸噴嘴剖面結構圖如圖1所示。圖中：d為延伸噴嘴進氣口與緯紗入口間的水平距離，mm；β為進氣口中心軸線與水平線的夾角，稱為進氣口噴射角度，()。

圖1 延伸噴嘴示意圖Fig.1 3-D (a) and profile (b) schematic diagram of extended nozzle

延伸噴嘴在噴氣引緯系統中的大致位置如圖2所示。圖中，L為最后一個輔噴嘴出口與延伸噴嘴緯紗入口間的距離，mm。

圖2 延伸噴嘴在引緯系統中的位置示意圖Fig.2 Diagram of extended nozzle position in weft insertion system

1.2 邊界條件和網格劃分

簡化引緯系統末端流場結構如圖3所示。輔噴嘴和延伸噴嘴的氣流入口均為壓力入口，壓力出口為大氣壓，近壁面采用Enhanced Wall Treatment，壁面邊界條件為無滑移、絕熱壁面。模型處理和網格劃分在ICEM中完成，采用非結構網格，具有較好的自適應性，更有利于數值計算的順利進行。本文采用四面體網格對等效主噴嘴、輔噴嘴和延伸噴嘴進氣口的網格進行加密，使數值模擬的結果更準確。網格數量約為232萬個。

圖3 引緯系統末端氣流場網格圖Fig.3 Airflow field grid of weft insertion system end

2 數值方法

在歐拉坐標系下，可壓縮牛頓流體運動控制方程如下。

連續性方程：

(1)

式中：u、v、w為x、y、z方向的速度分量，m/s；ρ為流體密度，kg/m3。

Navier-Stokes方程：

(2)

(3)

(4)

式中：p為壓力，Pa；gx、gy、gz為外力分量，N；μ為動力黏度系數。

引緯系統末端氣流場的雷諾數大于104，是湍射流，可忽略分子黏性的影響，因此，本文采用Realizablek-ε模型可滿足計算要求。

能量守恒方程：

(5)

式中：T為溫度，℃；cp為定壓比熱容，J/(kg·℃)；ST為流體的內熱源，以及由于黏性作用產生的機械能轉化為熱能的熱源，J；k為流體的熱傳導系數。

3 數值分析

3.1 不同L下導紗管內氣流場特性

本文實驗選取L為30、60、100 mm時引緯系統末端氣流場云圖如圖4所示，此時輔噴嘴的供氣壓力為0.2 MPa。提取3種L下導紗管軸線上的氣流速度如圖5所示，用Z表示導紗管軸線上的位置。可知，不同L下導紗管軸線速度衰減趨勢相同。3種L下導紗管軸線上的最大速度和平均速度如表1所示。可知，當L=60 mm 時，導紗管軸線上的平均速度較大，氣流力也大，有利于緯紗的拉伸牽引。

圖4 不同L下延伸噴嘴導紗管內氣流場云圖Fig.4 Cloud chart of airflow field in guide hole of extended nozzle under different L

圖5 不同L下導紗管軸線速度分布圖Fig.5 Axis velocity attenuation diagram of guide hole under different L

表1 不同L下導紗管軸線上的最大速度和平均速度Tab.1 Maximum speed and average velocity on axis ofguide hole under different Lm/s

3.2 進氣口位置對導紗管內氣流速度影響

延伸噴嘴進氣口噴射角度β均為10°，進氣口壓力為0.2 MPa時,不同d下延伸噴嘴導紗管氣流軸線速度分布如圖6所示，Z為導紗管軸線上的位置。可以看出，當d為30 mm時，延伸噴嘴導紗管軸線上的氣流速度整體較大，且波動不是很大。

圖6 延伸噴嘴導紗管氣流軸線速度分布圖Fig.6 Airflow velocity distribution diagram on axis of guide hole of extended nozzle

表2示出不同水平距離(d)下延伸噴嘴導紗管軸線上氣流最大速度、平均速度和延伸噴嘴進氣口速度差。可知：當d=5 mm時，導紗管軸線上氣流最大速度為114.9 m/s，平均速度為 87.1 m/s,速度較大，但在延伸噴嘴進氣口射流射入位置的氣流速度在短距離內波動較大，波動值為 27.7 m/s，導紗管內流場不穩定；當d=30 mm時，導紗管軸線上氣流最大速度為108.6 m/s，平均速度為80.7 m/s；當氣流速度下降到80.0 m/s左右時，能維持一段時間且速度波動相對較小，導紗管內流場較穩定；當d=50 mm時，導紗管軸線上氣流最大速度為98.7 m/s，平均速度為 61.8 m/s，與d=30 mm相比，速度整體較小；當d=75 mm 時，導紗管軸線上氣流最大速度為 82.3 m/s，平均速度為43.2 m/s，導紗管軸線上的氣流速度更低，氣流力更弱。綜上所述，當d= 30 mm 時，延伸噴嘴導紗管軸線上的氣流速度整體較大且速度波動較小，氣流場穩定，因此，延伸噴嘴進氣口與延伸噴嘴緯紗進口的水平距離d= 30 mm 附近時，可有效提高緯紗的拉伸牽引能力。

表2 導紗管軸線上氣流最大速度和平均速度Tab.2 Maximum velocity and average velocity of airflowon axis of guide hole m/s

3.3 β對導紗管內氣流場穩定性的影響

β為延伸噴嘴進氣口噴射角度，本文實驗取 3種不同情況：β=10°、30°和45°。

氣流速度的標準偏差可反映氣流的穩定性，其公式為

(6)

氣流速度橫向分布的標準偏差與橫向速度有關，延伸噴嘴橫向切面位置如圖7所示。分別取導紗管橫向切面到其進氣口的水平距離D=5、25、45、65 mm。圖8示出β=10°時，導紗管4個不同位置橫向切面的速度流場云圖。可以看出，導紗管中心軸線上的氣流速度最大。

圖7 延伸噴嘴橫向切面位置Fig.7 Transverse sections of extended nozzle

圖8 β=10°時4個不同位置橫向切面的速度流場云圖Fig.8 Velocity field cloud chart of four different transverse sections at different positions at β=10°

圖9示出導紗管不同水平距離切面的橫向氣流速度的分布。其中，Y為導紗管橫向切面軸線上的位置(見圖8)。

圖9 不同距離切面的橫向氣流速度的分布Fig.9 Transverse distribution of airflow velocity of different distance sections

通過式(6)計算得出導紗管不同距離切面氣流速度橫向分布的標準偏差如表3所示。在D=5、25、45、65 mm這4個橫向切面上分別對比β=10°、30°、45°的氣流速度橫向分布的標準偏差可知，在β=10°時不同距離切面上氣流速度橫向分布的標準偏差都是最小的，因此，當β=10°左右時，導紗管氣流場較穩定。

表3 氣流速度橫向分布的標準偏差Tab.3 Standard deviation of transverse distribution of airflow velocity

4 實驗方案及數據分析

實驗在浙江某紡織機械股份有限公司HY-8型噴氣織機上進行，采用智能壓力風速風量儀和定制畢托管分別獲取氣體流速和風量。首先用刻度尺在畢托管探測頭上標記位置，然后將探頭從延伸噴嘴導紗管末端伸入，逐步測量導紗管內沿軸線不同位置的氣流速度。延伸噴嘴導紗管內軸線氣流速度測試方案如圖10所示。

圖10 延伸噴嘴導紗管軸線速度測試方案Fig.10 Principle diagram of measuring axial velocity of guide hole of extended nozzle

實驗使用進氣口與緯紗入口的距離d為 30 mm，進氣口噴射角度β為10°的延伸噴嘴，設定最后1個輔噴嘴出口到延伸噴嘴緯紗入口的距離L為60 mm。測得無延伸噴嘴的引緯末端軸向氣流速度與有延伸噴嘴的末端軸向氣流速度對比如圖11所示。可以看出：無延伸噴嘴時，引緯末端軸向氣流最大速度為80.3 m/s，平均速度為 46.4 m/s；放置延伸噴嘴后末端氣流最大速度可達112.1 m/s，平均速度為81.2 m/s；因此，放置延伸噴嘴可使引緯末端氣流速度得到顯著提升，有效提高了引緯末端的氣流牽引力，可改善引緯末端氣流場。