基于流-固耦合輔助噴嘴特性分析

何為 沈敏

摘 要：文章主要研究噴氣織機中不同孔型的輔助噴嘴應力形變問題，利用Fluent軟件建立了輔助噴嘴結構的三維模型，采用k-ε湍流模型對其結構進行流-固耦合數值模擬，對單圓孔、橢圓陣列以及圓陣列三種孔型的輔助噴嘴在同一流體激勵下進行分析，得到各個輔助噴嘴在同一流體激勵下的變形情況，結果表明，橢圓陣列在流體激勵下的形變最大，圓形陣列輔助噴嘴結構的形變最小，為噴氣織機的輔助噴嘴結構設計生產提供參考建議。

關鍵詞：噴氣織機；輔助噴嘴；數值模擬；流-固耦合

中圖分類號：O353.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095－414X（2024）02－0080－04

0 ?引言

噴氣織機在現代社會中已經廣泛應用，它具有自動化程度高、生產效率高以及生產種類多等諸多特點^[1]?，F在的噴氣織機的效率已經大大提高，可織造各類織物的織造，幅寬可達540cm，噴氣織機正向高速化、高幅寬、高入緯率、多品種適應性發展^[2]。輔助噴嘴耗氣量占噴氣織機整機耗氣量的70%～80%^[3]，深入研究輔助噴嘴在流體激勵作用下的特性，設計不同結構的輔助噴嘴，分析其在流場下的特性，提高輔助噴嘴的使用壽命以及織物質量，具有重要的理論參考和應用價值。

目前對于輔助噴嘴的研究中，主要研究了不同結構的輔助噴嘴射流情況，Belforte^[4]采用實驗裝置測試了不同結構輔助噴嘴的射流速度和耗氣量。錢怡等^[5]數值模擬了兩個輔助噴嘴射流疊加組合的流場，并搭建實驗平臺測試了軸向氣流速度，驗證了數值結果。陸慶等^[6]數值模擬了兩組單圓孔輔助噴嘴匯入異形筘的組合流場，表明主輔噴嘴供氣壓力差值范圍在0.05MPa～0.1MPa能提升引緯速度且耗散較慢。

這些研究主要是對輔助噴嘴的射流情況的研究，但是對于輔助噴嘴在流體激勵作用下的自身特性研究尚有欠缺，其成果較少見到，因此基于流-固耦合分析不同孔型的輔助噴嘴在流體激勵下的特性很有意義。

1 ?輔助噴嘴動力學方程建模

1.1 ?輔助噴嘴幾何建模

本文采用 Solidworks 三維軟件對輔助噴嘴建模，目前工程中主要采用的輔助噴嘴類型為單圓孔型，其入口內徑為3.4mm，外徑為4.4mm，壁厚為0.5mm，出口直徑為1.5mm，噴向角α為8°，A-A是輔助噴嘴靠近出口處的結構，D區為輔助噴嘴出口處局部放大圖，如圖1、圖2所示。

現保持輔助噴嘴出口處單圓孔面積不變，其面積約為1.77mm²，設計了另外兩種輔助噴嘴出口處的孔型，分別為圓形陣列、橢圓陣列。單圓孔出口直徑為1.5mm，圓形陣列出口的單個圓形半徑0.43mm，有三個圓形出口，該中心距為1.1mm；橢圓陣列出口的單個橢圓長半軸為0.75mm，短半軸為0.25mm，其與圓形陣列出口數量相同，有三個橢圓陣列出口，但是橢圓陣列中心距為1.1mm。其具體參數如圖3所示。

1.2 ?輔助噴嘴流-固耦合動力學方程建模

流-固耦合一般指的是流體力學與固體力學相結合的研究方法，一般分為單向流-固耦合以及雙向流-固耦合，其中單向流-固耦合指的是只考慮流體激勵情況對固體的影響；而雙向流-固耦合指的是不僅要考慮流體激勵情況對固體的影響，反過來也要考慮受影響后的固體反過來對流體的影響^[7]。本文中輔助噴嘴在流體激勵作用下所受形變量較小，對流場的反作用基本可以忽略，所以本文的流-固耦合研究將采用單向流固耦合來對輔助噴嘴在流體激勵下進行研究和計算。

通過圖1、2可知，可以將輔助噴嘴近似為管道系統，在進行管道系統的流-固耦合計算時，流體和結構的耦合界面必須滿足兩個基本條件，即位移協調方程^[8]：

（1）

力平衡方程：

（2）

在流-固耦合界面上，流體作用于管道內壁的力為分布力，分布力無法施加到結構節點上，需將其積分為集中力施加到結構節點上，積分公式為：

（3）

式1、2、3中，d_f為流體位移，單位為米（m）；d_s為結構位移，單位為米（m）；t為時間，單位為秒（s）；dS為耦合界面；τ_f為流體應力，單位為帕（Pa）；τ_s為結構應力，單位為帕（Pa）；s^d為結構節點位移，單位為米（m）。

在流-固耦合計算中，流體的網格與固體的網格可以不共節點，即網格可以分開建立，只要滿足時間上的積分是可以相同的即可。流體模型和結構模型的位移、速度、加速度在耦合界面上是相同的，處理時不加以區分。

二者方程可以分別表示為：

（4）

（5）

流體的速度和加速度用未知變量表示為：

（6）

（7）

將上述方程整合到耦合系統中，可以得到時間積分的表達式為：

（8）

（9）

2 ?輔助噴嘴流-固耦合分析

2.1 ?模型網格分析

本文的研究對象是噴氣織機的輔助噴嘴結構，其幾何模型以及參數如圖1、3所示。輔助噴嘴的材料不銹鋼，其材料屬性為：楊氏模量：200GPa，泊松比：0.3，密度：7850kg/m³，材料的屈服極限為250MPa；流體為空氣，其密度為1.29kg/m³，黏度為μ為1.81×10^-5Pa?s，溫度為20℃。其有限元模型如圖4所示。

輔助噴嘴模型與流體的網格均劃分為四面體網格，網格大小設置為0.25mm，流體域的計算將采用k-ε湍流模型，分析其穩態，對接觸面流體域以及輔助噴嘴內壁面分別設置流-固耦合邊界。

2.2 ?輔助噴嘴邊界條件設置

輔助噴嘴入口邊界條件設置：入口總壓為0.3MPa，入口靜壓為0.297MPa，出口總壓設置為一個標準大氣壓，其值為101.325KPa，入口平面六個自由度全約束。

邊界條件設置完成后，首先計算流體域的穩態，在Fluent求解器中求解，迭代10000次。計算完成流體域的穩態后，進行流-固耦合，流體以壓力的形式作用在輔助噴嘴的內壁上，進行單向流固耦合，最后求解出不同孔型的輔助噴嘴在流體激勵下的位移情況。

2.3 ?不同孔型輔助噴嘴流場分析

圖5為單圓孔、橢圓陣列孔以及圓陣列孔三種不同孔型輔助噴嘴結構在流體激勵下求解出的流場速度流線圖。圖6為三種不同孔型輔助噴嘴的出口處速度大小。

根據三種不同孔型的輔助噴嘴的出口處速度，即從圖6可以得出，流體在單圓孔輔助噴嘴結構出口處的速度最大，其值為324.1m/s；流體在橢圓陣列孔輔助噴嘴出口處的速度最小，其值為306.2m/s。現將三種不同孔型的輔助噴嘴內的流場壓力導出，作用到輔助噴嘴內壁上，進行流-固耦合場分析。

2.4 ?輔助噴嘴流-固耦合分析

將上文求解出的三種孔型輔助噴嘴的流場情況以壓力的形式導出，作用到輔助噴嘴內壁上。由于輔助噴嘴形變量較小，輔助噴嘴反過來對流體的影響較小，故只考慮單向流-固耦合過程，即只考慮流體對輔助噴嘴的影響，而不考慮受影響后的輔助噴嘴反過來對流體的影響。

本文中引起輔助噴嘴變形的主要因素是流體激勵作用到輔助噴嘴所產生的變形。因此將上述激勵考慮到結構靜力學分析中進行求解，同時在靜力學模塊中將輔助噴嘴入口處的六個自由度全部約束。最終求得輔助噴嘴的位移云圖如圖7所示。

輔助噴嘴在流體激勵下發生的最大位移的為橢圓陣列孔型的輔助噴嘴，其值為0.0077mm；輔助噴嘴在流體激勵下發生的最小位移的為圓形陣列孔型的輔助噴嘴，其值約為0.0056mm。由于輔助噴嘴的入口是六個自由度全約束狀態，所以三者輔助噴嘴的形變位置均在輔助噴嘴的出口處。

3 ?結論

本文分析了三種不同孔型的輔助噴嘴在同一流體激勵下所發生的變形情況。不同孔型的輔助噴嘴在流體激勵的作用下，輔助噴嘴出口處的流體速度以及輔助噴嘴的變形程度均不相同，得出如下結論。

（1）對于流體在輔助噴嘴出口處的速度來說，在同一流體激勵下，流場在單圓孔輔助噴嘴的出口處速度最大，其速度為324.1m/s；流場在橢圓陣列孔的出口處速度最小，其速度為306.2m/s。

（2）通過流-固耦合分析，在同一流體激勵作

用下，單圓孔、橢圓陣列以及圓形陣列三種不同孔型的輔助噴嘴所受到的變形程度均不相同，其中變形幅度最大的為橢圓陣列孔型的輔助噴嘴，其出口處位移了0.0077mm，變形幅度最小的為圓形陣列孔型的輔助噴嘴，其出口處位移了0.0056mm。

此流固-耦合模型可以為同類型輔助噴嘴的疲勞、壽命分析提供依據，同時為輔助噴嘴的設計提供參考建議。

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Analysis of Characteristics of Auxiliary Nozzles Based on Fluid Solid Coupling

HE Wei， SHEN Min

（School of Mechanical Engineering and Automation， Wuhan Textile University， Wuhan Hubei?430200， China）

Abstract：This article mainly studies the stress and deformation problems?of auxiliary nozzles with different hole types in air jet looms. A three-dimensional model of the auxiliary nozzle structure was established using Fluent software， and k- ε The turbulence model conducts fluid solid coupling field analysis on its structure， and analyzes the deformation of auxiliary nozzles with three hole types： single circular hole， elliptical array， and circular array under the same fluid excitation. The deformation of each auxiliary nozzle under the same fluid excitation is obtained. The results show that the elliptical array has the largest deformation under fluid excitation， while the circular array auxiliary nozzle structure has the smallest deformation， providing?reference suggestions for the design and production of auxiliary nozzle structures in air jet looms..

Keywords：air jet loom; auxiliary nozzle; numerical simulation; fluid-solid coupling

（責任編輯：周莉）