輔助噴嘴結構對噴氣織機異形筘內合成流場特征的影響

周浩邦， 沈 敏， 余聯慶， 肖世超

(武漢紡織大學 數字化紡織裝備湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430200)

噴氣織機具有速度快、效率高、產品適應性廣等優(yōu)點，已被公認為最具發(fā)展前景的無梭織機之一。噴氣織機引緯系統主要采用主噴嘴和輔助噴嘴加異形筘引緯方式，高速射流在異形筘槽內匯合，形成合成流場，牽引紗線飛過梭口, 主噴嘴和輔助噴嘴氣流特性直接影響到引緯效率、織物質量和織機能耗[1-2]。由于主噴嘴、輔助噴嘴的高速射流均是湍流場，對于異形筘內氣流場的研究一直是影響噴嘴結構設計的難點問題，目前對噴氣織機引緯系統的研究主要采用實驗研究和數值模擬。已有一些學者利用畢托管[3-4]、激光多普勒測速儀[5]或者粒子成像設備(PIV)[6]測量了輔助噴嘴匯入異形筘道內流場中心軸線速度，分析了輔助噴嘴入口壓力、輔助噴嘴間距等參數對異形筘道內氣流速度的影響，但實驗測量對于小孔徑高速氣流具有相當難度，而且對于設備和實驗技術要求較高。

近年來使用計算流體力學方法進行數值仿真已成為趨勢。Song等[7]通過數值仿真了1個主噴嘴和1個輔助噴嘴合成流場特性，改變輔助噴嘴噴射角度，得到不同引緯系統下輔助噴嘴的最佳噴射角度。Jim等[8]建立了一個簡化的輔助噴嘴流場的數值模型，討論了入口壓力、噴嘴直徑和噴射角度對中心軸線速度的影響。Jin等[9]數值模擬了1個主噴嘴和1個輔助噴嘴匯入異形筘道的流場，通過有限體積數值方法得到了異形筘道的速度分布。Jiang等[10]研究了1個主噴嘴和1個輔助噴嘴匯入異形筘道中合成流場的穩(wěn)定性，討論了主噴嘴與第1個輔助噴嘴位置、輔助噴嘴噴射角對合成流場的影響。王衛(wèi)華等[11]數值模擬了輔助噴嘴與異形筘組合流場，得到了輔助噴嘴出口射流中心線上的速度，并通過實驗驗證了數值結果。陸慶等[12]數值模擬了主噴嘴與輔助噴嘴匯入異形筘道內合成流場的特性，并使用畢托管測量了主噴嘴和輔助噴嘴合成流場軸向氣流速度，表明主噴嘴壓力在0.3～0.4 MPa范圍內，氣流整體衰減趨勢是相同的。楊國仲等[13]研究了異形筘唇寬、主噴嘴導紗管位置等參數對引緯氣流場的影響，結果表明主噴嘴導紗管在筘道中心和機后偏移2 mm處為最佳安裝位置。

現有的研究主要局限在單個主噴嘴或者單個輔助噴嘴匯入異形筘道內中心軸線速度，對于主噴嘴加多個輔助噴嘴匯入異形筘道合成流場分布的研究還很缺乏。實際生產時，一般使用2～3個輔助噴嘴為1組，用同一個電磁閥控制1組輔助噴嘴，因此，非常有必要研究1組輔助噴嘴匯入異形筘內的氣流速度，本文研究了1組輔助噴嘴匯入異形筘道中合成流場特性。通過以3個相同結構的1組圓孔、三角形孔和星形孔輔助噴嘴為對象，考慮輔助噴嘴與異形筘的相互作用，建立1個主噴嘴和3個輔助噴嘴合成流場數值模型，求解3種不同輔助噴嘴合成流場速度分布，并將數值計算結果與實驗結果進行對比，驗證數值結果的正確性，分析輔助噴嘴不同結構、間隔距離和供氣壓力對合成流場速度的影響。以期為優(yōu)化輔助噴嘴結構、提高噴氣織機引緯效率并降低能耗提供理論參考。

1 輔助噴嘴結構及流場模型

1.1 輔助噴嘴幾何模型

輔助噴嘴結構由底座、套筒及噴管等組成，其中噴管是由不銹鋼薄壁扁管制成，結構如圖1所示。

1—底座； 2—套筒； 3—噴管。圖1 輔助噴嘴結構Fig.1 Auxiliary nozzle structure

噴管頭端扁平，開有噴氣孔,噴孔平面有傾角，噴射方向指向筘道，噴射角α一般為8°～9°。管套又與底座用螺絲釘按一定角度β定位，稱為噴向角，一般為4°～6°。噴射角α和噴向角β決定了氣流能否準確射向異形筘道。

目前廣泛使用的輔助噴嘴主要為圓孔、三角形孔和星形孔等。根據輔助噴嘴實物，進行1∶1三維建模，單圓孔輔助噴嘴如圖2所示。輔助噴嘴圓管區(qū)長度為12 mm，過渡區(qū)長度為10 mm，扁管區(qū)長度為18 mm。單圓孔直徑為1.5 mm，入口直徑為3.2 mm，壁厚為0.4 mm。正三角形孔如圖3所示，邊長都為2 mm，入口直徑為3.2 mm，壁厚為0.4 mm。

圖2 單圓孔輔助噴嘴圖Fig.2 Signal circular hole auxiliary nozzle.(a)Front view; (b)Sketch map of section structure

圖3 正三角形孔輔助噴嘴圖Fig.3 Triangle hole auxiliary nozzle.(a)Front view; (b)Sketch map of section structure

圖4示出星形孔輔助噴嘴的結構，共由5排小圓孔組成，圓孔的直徑為0.3 mm，由中心沿直線向外陣列，單排圓孔數為5個，共5排，每排相隔的角度為60°。

圖4 星形孔輔助噴嘴圖Fig.4 Star hole auxiliary nozzle.(a)Front view; (b)Sketch map of section structure

1.2 合成流場幾何模型

利用三維建模軟件Solidworks建立1個主噴嘴、3個輔助噴嘴和異形筘道組成的合成流場的三維幾何模型，3個輔助噴嘴具有相同的規(guī)格，輔助噴嘴間隔為60 mm，幾何模型如圖5所示。

圖5 3個輔助噴嘴匯入異形筘合成流場幾何模型Fig.5 Geometric model of flow field of three auxiliary nozzles converging into reed. (a)Geometry model of profiled reed; (b)Geometric model of synthetic flow field

1.3 合成流場網格模型和邊界條件設置

將從Solidworks中導出的x_t類型文件導入Ansys中進行流體抽取，模型處理和網格劃分在ICEM中完成，考慮輔助噴嘴與異形筘道合成流場的結構特點、計算資源和數值耗散性要求，輔助噴嘴部分采用結構化網格，異形筘流體采用非結構四面體網格，最終網格數量為2.6×107個。設置的邊界條件為：主噴嘴速度入口，輔助噴嘴壓力入口，壓力出口為0.1 MPa，其他面為默認壁面，壁面設置為絕熱無滑移壁面條件，網格模型與邊界條件如圖6所示。

圖6 主輔噴嘴匯入異形筘合成流場網格劃分Fig.6 Mesh generation of synthetic flow field of main and auxiliary nozzles into reed

2 Fluent數值求解分析

利用Fluent進行數值求解，壓縮空氣經主噴嘴、輔助噴嘴噴出加速后由噴孔噴出，從較小的速度逐漸加速直到峰值，進入異形筘后逐漸衰減。主噴嘴和輔助噴嘴的射流輔助引緯運動，均可視為可壓縮射流的高速聚束流動。噴管內流場為可壓縮黏性流體，外流場屬于高雷諾數的湍流，并且流動流線彎曲程度大，應變率及雷諾數Re值高，所以選擇k-ε雙方程湍流模型，選擇標準壁面對近壁區(qū)進行處理。采用密度基求解器下的隱式求解器，可以獲得較高精度的解。主噴嘴速度入口參數設定為：入口速度130 m/s，湍動能耗散率52 625.21 m2/s3，湍動能21.05 m2/s2，輔助噴嘴壓力設置如表1所示。

表1 輔助噴嘴不同供氣壓力下的壓力入口條件Tab.1 Pressure inlet conditions under different gas supply pressures

3 實驗方案

主噴嘴和輔助噴嘴匯入異形筘中的引緯氣流視為可壓縮空氣,采用畢托管測量出總壓和靜壓，動壓等于總壓和靜壓之差，可以計算出氣流速度。計算公式為

式中:ρ為氣流密度，g/L;p為畢托管測得的氣流動壓,MPa;k為畢托管修正系數,通常為0.99～1.01。

利用電磁閥控制主噴嘴和輔助噴嘴的啟閉時間，用刻度尺在畢托管探測頭上標記位置，然后將探頭伸入異形筘道內，逐步測量筘道內沿主噴嘴導紗管中心軸線速度，采用智能壓力傳感器測試，經過差壓變送器輸入到NI速度采集卡，再通過上位機進行數據處理，可獲得該點的氣流速度，實驗裝置如圖7所示。

圖7 主輔噴嘴射流匯入異形筘道內氣流測試裝置Fig.7 Nozzles and profiled reed of flow field test device

實驗過程中，設定主噴嘴與第1個輔助噴嘴間距為20 mm,其他輔助噴嘴間距在50～80 mm范圍可以調整，輔助噴嘴的噴向角均可調整。

4 結果與討論

4.1 圓形單孔輔助噴嘴數值模擬與實驗

以單圓孔輔助噴嘴筘道內流場作為研究對象，測量輔助噴嘴供氣壓力為0.2 MPa時異形筘道內合成流場中心軸線速度。在輔助噴嘴供氣壓力為0.2 MPa，輔助噴嘴間距為50 mm時，對單圓孔輔助噴嘴數值仿真得到的異形筘道內合成流場中心軸線氣流速度與實驗數據進行對比，結果如圖8所示。

圖8 3個輔助噴嘴合成流場數值模擬與實驗驗證Fig.8 Numerical simulation and experimental verification of synthetic flow field of three auxiliary nozzles

從圖8可以看出，數值模擬得到的合成流場中心軸線氣流速度幅度比實驗數值略小，由附壁射流原理可知，測量時所選取筘道徑向截面處的測量點更靠近筘道內壁面，靠近壁面處的射流速度更大，導致二者速度出現差異，但模擬值和實驗值速度曲線變化趨勢大致相同，表明該合成流場模型計算數據具有可靠性，可以用來分析合成流場特性。

4.2 孔型對中心軸線氣流速度影響

輔助噴嘴入口壓力為0.4 MPa，單圓孔、正三角形孔、星形孔輔助噴嘴間距均為50 mm時，合成流場中心軸線氣流速度對比如圖9所示。可看出，在相同供氣壓力下，不同出口形狀的輔助噴嘴合成流場中心軸線氣流速度分布衰減趨勢大致相同，但在速度峰值上可看出明顯差異。正三角形孔輔助噴嘴合成流場中心軸線速度最高，對紗線牽引力最大。星形孔輔助噴嘴合成流場中心軸線氣流速度峰值僅次于正三角形輔助噴嘴，速度波動變化最小，紗線在其合成流場中飛行最為平穩(wěn)。單圓孔輔助噴嘴合成流場氣流特性相對來說最差，在0.13 m處速度衰退較大，這種速度的衰退會對紗線飛行的穩(wěn)定產生很大的干擾。

圖9 孔型對中心軸線氣流速度的影響Fig.9 Effect of pass on air velocity along central axis

1個主噴嘴和3個輔助噴嘴自由噴射流場匯入異形筘合成速度云圖如圖10所示。可看出，3種孔形輔助噴嘴合成流場中心軸線速度具有相同的特點，主噴嘴射流在進入筘道時，氣流速度較大，對合成流場流速產生主要影響，隨著中心線上距離增加，主噴嘴射流開始擴散，中心軸線氣流速度產生波動并大幅度下降，與輔助噴嘴射流匯合后，合成流場中心軸線氣流上速度有短暫的提升，由于輔助噴嘴氣流不斷地匯入和擴散，中心軸線氣流速度產生波動，異形筘道內平均速度穩(wěn)定在70～90 m/s，使緯紗在筘道中能穩(wěn)定獲得飛行速度進入經紗，在主噴嘴與輔助噴嘴射流匯合后，正三角形孔輔助噴嘴組成的合成流場其射流核心速度最大，高于單圓孔和星形孔輔助噴嘴。

圖10 0.4 MPa下3種孔型速度分布云圖Fig.10 Cloud diagram of velocity distribution of three pass types at 0.4 MPa. (a)Single hole; (b)Regular triangle hole; (c)Star hole

4.3 輔助噴嘴間距對中心軸線氣流速度影響

供氣壓力為0.4 MPa下單圓孔、三角形孔、星形孔3種孔型輔助噴嘴在間距為50、60和70 mm時的中心軸線氣流速度分布曲線如圖11所示。可看出，單圓孔輔助噴嘴合成流場中心軸線氣流速度受間距影響較大，正三角形孔輔助噴嘴合成流場軸線氣流速度受間距影響較小，星形孔輔助噴嘴合成流場中心軸線速度受間距影響最小。當間距為50 mm時，星形孔合成流場中心軸線氣流平均速度為80 m/s，峰值速度最高，波動最小，引緯性能最優(yōu)。當間距為70 mm時，單圓孔輔助噴嘴合成射流得不到及時補充，導致擴散過快，其中心軸線上速度產生巨幅波動，對紗線引緯極為不利。因此，噴氣織機引緯系統需要使用若干組噴嘴，各組噴嘴射流的噴射時間互相銜接。由于噴嘴核心射流不長，為了實現接力引緯，噴嘴間距不宜太大。

圖11 輔助噴嘴間距對中心軸線氣流速度的影響Fig.11 Effect of auxiliary nozzle spacing on air velocity along central axis. (a)Single circular hole; (b)Triangle hole; (c)Star hole type

進一步分析不同輔助噴嘴距離對氣流場的影響，計算得到的速度波動率如表2所示。當輔助噴嘴間距為60 mm時，有效區(qū)間內的速度波動率最小。當輔助噴嘴間距大于70 mm時，有效區(qū)間內的速度波動率超過25%。

表2 不同輔助噴嘴間距下的速度波動Tab.2 Velocity fluctuation under different auxiliary nozzle spacing

4.4 供氣壓力對中心軸線氣流速度影響

在3種不同孔型的輔助噴嘴間距為50 mm,0.2～0.4 MPa壓力下，合成流場中心軸線氣流速度曲線如圖12所示。可以看出，隨著壓力的增大，3種孔型輔助噴嘴的噴射能力增強，匯入的主噴嘴氣流在筘道內得到補充，氣流變化趨勢與壓力成正比，中心軸線上平均速度與峰值均有明顯增加。因為出口處的氣體壓縮，速度升高，壓強降低，產生了膨脹波。后續(xù)的小幅度波動，是由膨脹波和壓縮波交替出現產生的。之后當氣體的壓力逐漸衰減到0.1 MPa之后，射流就會在大氣中自由擴散[14]。

圖12 壓力對中心軸線氣流速度的影響Fig.12 Effect of pressure on air velocity along central axis. (a)Single circular hole; (b)Triangle hole; (c) Star hole

從圖12(a)可看出,單圓孔輔助噴嘴合成流場的前2個位置輔助噴嘴射流匯合速度受壓力影響不大，從第3個輔助噴嘴位置開始，速度波動幅度明顯增大，不利于緯紗的平穩(wěn)飛行。從圖12(b)可見，正三角形孔輔助噴嘴合成流場中心軸線氣流速度受壓力影響最大，中心軸線氣流速度增幅較大，氣流集束性更好，供氣壓力增至0.4 MPa時，中心軸線氣流速度增量達到10 m/s，平均速度高于80 m/s，符合當今噴氣織機對引緯速度的要求。從圖12(c)可看出，供氣壓力對星形孔輔助噴嘴流場從中心軸線氣流速度影響較小。隨著供氣壓力的增大，中心軸線氣流速度波動減小，但只有在0.4 MPa時，平均速度才高于80 m/s，需要增加壓力而提升引緯牽引力來滿足一般織物引緯的要求，導致耗氣量增加，能耗過大。

4.5 孔型尺寸對中心軸線氣流速度影響

供氣壓力為0.4 MPa，輔助噴嘴間距為70 mm的情況下，單圓孔、三角形孔、星形孔3種孔型輔助噴嘴在不同孔徑下的中心軸線氣流速度分布如圖13所示。可看出，在相同供氣壓力和輔助噴嘴間距下，同種形狀不同尺寸的輔助噴嘴合成流場中心軸線氣流速度分布衰減趨勢大致相同，但在速度峰值上存在明顯差異。圓形噴嘴直徑為1.0 mm時，合成流場中心軸線氣流速度峰值較大，集束性較好；正三角形輔助噴嘴邊長為1.0 mm時，合成流場中心軸線氣流速度峰值較大，邊長為1.5 mm時集束性最好；星形輔助噴嘴周長為1.5π mm時，合成流場中心軸線氣流速度峰值最大，集束性最好。因此，在引緯時，各組噴嘴射流的噴射時間互相銜接。由于噴嘴核心射流不長，為了實現接力引緯，噴嘴尺寸不宜太大。

圖13 孔型尺寸對中心軸線氣流速度的影響Fig.13 Effect of pass size on air velocity along central axis. (a)Single circular hole; (b)Triangle hole; (c) Star hole

5 結 論

本文數值仿真了單圓孔、正三角形孔和星形孔3種輔助噴嘴匯入異形筘道合成流場分布，可為提高輔助噴嘴引緯穩(wěn)定性提供參考，主要結論如下。

1)輔助噴嘴間距對引緯速度的影響非常明顯。尤其對于圓孔輔助噴嘴，當間距為70 mm時，中心軸線氣流速度峰值與估值波動最大，合成氣流最不穩(wěn)定，會影響織物質量和引緯效率。

2)輔助噴嘴供氣壓力為0.2～0.4 MPa時，3種孔型輔助噴嘴中心軸線氣流速度都有很好的一致性。隨著供氣壓力的增大，合成流場中心軸線氣流速度明顯增大，供氣壓力為0.3 MPa時，基本可以滿足高速引緯的需求。

3)輔助噴嘴結構對引緯特性也有很大影響，在相同供氣壓力下，星形孔輔助噴嘴相比于單圓孔、正三角形孔輔助噴嘴具有更好的集中性，更高的引緯速度，更小的耗氣量，較好的引緯平穩(wěn)性，是一種綜合性能優(yōu)良的輔助噴嘴。

4)輔助噴嘴的尺寸對引緯速度也有很大影響，在相同的供氣壓力和輔助噴嘴間距下，相比于大尺寸的輔助噴口，尺寸更小時合成流場中心軸線氣流速度峰值更大，集束性更好，具有更好的引緯平穩(wěn)性，當圓形噴嘴直徑為1.0 mm，正三角形邊長為1.0 mm，星形噴嘴周長為1.5π mm時，引緯效果最佳。

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