基于Fluent的喷气织机辅助喷嘴综合性能

胥光申， 孔双祥， 刘 洋， 罗时杰

(西安工程大学 机电工程学院， 陕西 西安 710048)

辅助喷嘴作为喷气织机的关键部件，负责将纬纱接力并送过梭口，其耗气量占整机的75%左右，辅助喷嘴性能直接影响了喷气织机的引纬质量和能耗[1-2]。辅助喷嘴性能主要取决于结构及其参数，因此，其结构优化研究对于提高喷气织机整机性能及降低能耗具有重要意义。

为提升辅助喷嘴的性能，国内外学者在辅助喷嘴的喷射流场数值分析、结构优化及性能测试等方面开展了深入研究。Meulemeester等[3]利用数值仿真技术对辅助喷嘴流场进行模拟，利用高速摄影机对模拟结果进行了验证；谭保辉等[4]利用Fluent软件对辅助喷嘴流场进行数值模拟，分析了供气压力和出口风速间的关系；文献[5-6]对单孔辅助喷嘴的结构优化进行了研究；Belforte 等[7]对不同内部结构的辅助喷嘴进行测试发现，单圆孔辅助喷嘴具有较好的集束性；Göktepe 等[8]提出在满足引纬的条件下，通过减小辅助喷嘴出口孔径和喷射时间，可有效地减少耗气量。但关于辅助喷嘴结构参数、喷孔数目及喷孔分布方式对辅助喷嘴性能影响的系统研究较少。

为提高喷气织机辅助喷嘴喷射性能并降低耗气量，本文利用Fluent软件对不同孔数、相同孔数不同孔径以及相同孔数不同分布方式的辅助喷嘴的喷射特性和耗气量进行了系统研究；通过对不同结构辅助喷嘴综合性能对比，得出综合性能优良的辅助喷嘴结构。

1 辅助喷嘴结构

按照喷孔数量，辅助喷嘴可分为单孔辅助喷嘴和多孔辅助喷嘴，多孔辅助喷嘴的主要类型有：双圆孔、三圆孔、四圆孔、五圆孔、六圆孔、七圆孔、八圆孔等。图1示出单圆孔辅助喷嘴的结构模型图，其入口直径为3.2 mm，喷射角为4°，过渡区长度为 10 mm，壁厚为0.4 mm。

图1 辅助喷嘴3-D模型图Fig.1 3-D View of auxiliary nozzle

本文以该单圆孔辅助喷嘴为基础，保持辅助喷嘴喷孔(直径为1.5 mm)面积不变，确定各辅助喷嘴喷孔结构参数，研究在喷孔面积相等的条件下，不同孔数、孔径及喷孔排布方式等结构参数对辅助喷嘴喷射性能及耗气量的影响规律。

图2示出三圆孔型辅助喷嘴喷孔的排布方式示意图。3个喷孔直径相等，均为0.866 mm。3孔以上的辅助喷嘴可分二类分布方式(以四圆孔为例)：一类为等大喷孔环形分布(见图3(a))；另一类为中心环形分布(见图3(b))，此种方式又因孔的大小不同而有所不同，具体分类命名及参数见表1。

图2 喷孔排布方式Fig.2 Distribution of injector orifice.(a) Style of 3KX; (b)Style of 3KS

图3 二类分布方式Fig.3 Two kinds of distribution.(a)Annular distribution;(b) Cental circular distribution

四圆孔类型名称代号直径说明等大环形孔4×Φ0.75mm4个孔直径相等,环形分布等大中心孔3×Φ0.75 mm+Φ0.75 mm4个孔直径相等,中心环形分布4K033×Φ0.3 mm+Φ1.407 mm周边3个孔直径为0.3 mm,中心孔直径为1.407 mm4K043×Φ0.4 mm+Φ1.330 mm周边3个孔直径为0.4 mm,中心孔直径为1.330 mm4K053×Φ0.5 mm+Φ1.225 mm周边3个孔直径为0.5 mm,中心孔直径为1.225 mm4K063×Φ0.6 mm+Φ1.082 mm周边3个孔直径为0.6 mm,中心孔直径为1.082 mm4K073×Φ0.7 mm+Φ0.883 mm周边3个孔直径为0.7 mm,中心孔0.883 mm

由表1可知，喷孔直径是按照直径为1.5 mm的单孔圆形辅助喷嘴喷孔面积确定的。表中3×Φ0.3 mm+Φ1.407 mm代表中心环形分布的四圆孔辅助喷嘴，其周边3个喷孔直径为0.3 mm，中心喷孔直径为1.407 mm。本文涉及到的其他多孔辅助喷嘴的分布方式命名规则与四圆孔辅助喷嘴类似。

2 辅助喷嘴数值模拟的前处理

以单圆孔辅助喷嘴为例说明三维流场模型的建立、网格划分、边界条件定义及边界条件设定等前处理工艺，其他类型辅助喷嘴前处理方式与之一致。

2.1 三维流场模型建立

由于辅助喷嘴三维流场模型较为复杂，利用Fluent前处理软件Gambit难以精确建立其几何流场模型，本文利用 Solidworks 软件建立了辅助喷嘴的三维流场模型，如图4所示。因辅助喷嘴三维流场模型较为对称，本文只建立一半的流场，以提高计算效率。鉴于射流扩散较快及气流作用于纬纱的牵引长度较短，在Solidworks软件中建立了喷嘴的内部流场和长度为70 mm的外部流场，外部流场直径为17 mm。

图4 辅助喷嘴流场模型Fig.4 Flow field of auxiliary nozzle

2.2 网格划分与边界条件设定

采用Hypermesh对辅助喷嘴三维流场模型进行网格划分，如图5所示。采用四面体网格，并对辅助喷嘴流场较为复杂的喷孔处的网格进行了加密细化处理，最终生成网格数约为64万个。

图5 网格划分Fig.5 Grid meshing

将划分好的网格导入Gambit中进行边界定义，辅助喷嘴流场模型涉及到的边界主要有压力出口(pressure-outlet)、压力入口(pressure-inlet)、对称面(symmetry)、壁面(wall)等。辅助喷嘴入口定义为压力入口，辅助喷嘴出口处的外部流场定义为压力出口，辅助喷嘴的对称面为对称边界条件，其余为壁面。边界定义结果如图6所示。由于本文在 0.3 MPa下进行数值模拟，因此，压力入口气压设为 0.3 MPa。在供气压力为0.3 MPa下，计算出辅助喷嘴入口处湍动耗散率ε为8 428.8 m2/s3，湍动能k为5.019 2 m2/s2，温度设置为293 K[9-10]。压力出口总压设置为101.325 kPa，其中壁面和对称面均为默认设置。

图6 辅助喷嘴流场模型边界定义Fig.6 Boundary definition of flow field of auxiliary nozzle

2.3 求解器与计算模型

考虑到喷气织机辅助喷嘴气流引纬速度高，为使求解能较好地收敛，同时因文中流场气流材料为理想气体，因此，本文采用密度基隐式求解器进行计算，采用RNG k-ε双方程模型。

3 喷气织机辅助喷嘴性能评价指标

辅助喷嘴的性能评价通常是通过对其最大出口风速、实际气流中心线上的速度衰减以及耗气量分析实现的[11]。实际生产中对辅助喷嘴既要求有良好的喷射性能，又要求有较低的耗气量，具有良好的综合性能。

现行的辅助喷嘴的评价方法，仅对辅助喷嘴的部分性能进行评估，无法对辅助喷嘴的综合性能做出全面的量化评价，不利于根据综合性能对辅助喷嘴进行优化。为此，本文提出利用辅助喷嘴气流中心线上速度积分与耗气量的比值，对辅助喷嘴综合性能进行量化评价的新方法。

辅助喷嘴气流中心线上速度积分可衡量辅助喷嘴的喷射性能：速度积分越大，表明辅助喷嘴气流的整体速度越高；衰减越缓慢，表明辅助喷嘴有较好的喷射性能。辅助喷嘴气流中心线上速度积分S可由下式计算得到：

式中：xi为距喷嘴出口的距离，m；f(xi)为距喷嘴出口xi处的气流速度，m/s；ξi为气流中心线上相邻2点的间距，m。即

ξi=xi+1-xi

气流中心线上速度积分与耗气量的比值可反映辅助喷嘴的综合性能，比值大，表明辅助喷嘴喷射速度高，耗气量低，综合性能越好。

辅助喷嘴综合性能指标的量化值可记为K(m-1)，由下式可得：

式中，Q为辅助喷嘴的耗气量，m3/h。

4 数值模拟结果分析

4.1 四圆孔辅助喷嘴流场分析

4.1.1对称面上速度云图

图7示出供气压力为0.3 MPa时，四圆孔辅助喷嘴在对称面上的速度分布云图。可以看到自由射流的多个流动区域。压缩气流首先从圆形管道进入扁圆形管道，最后从喷孔中喷射而出，整个过程中辅助喷嘴管道截面积逐渐减小，流速不断增大，在辅助喷嘴出口处风速达到最大，除等大环形孔辅助喷嘴出口速度334 m/s相对较低，其他型号辅助喷嘴出口速度均接近400 m/s，为超音速气流。

图7 不同型号四圆孔辅助喷嘴对称面上速度分布云图Fig.7 Velocity contours in symmetry of four orifice auxiliary nozzle of different distribution.(a)Equal size of center of circular;(b)Equal size of annular distribution;(c)Style of 4K03;(d)Style of 4K04;(e)Style of 4K05;(f)Style of 4K06;(g)Style of 4K07

4.1.2耗气量对比

图8示出不同孔型辅助喷嘴耗气量。反映了在供气压力为0.3 MPa、喷射面积相同时，四圆孔辅助喷嘴的喷孔分布方式和喷孔直径对耗气量的影响情况。分析结果显示： 4K03型辅助喷嘴耗气量最大，其值为1.525 m3/h；4K06型辅助喷嘴耗气量最小，其值为1.462 m3/h；4孔辅助喷嘴平均耗气量为 1.485 m3/h。

4.1.3气流中心线上速度分布

图9示出供气压力为0.3 MPa时，不同分布方式的四圆孔辅助喷嘴气流中心线上速度衰减曲线。可知：1)在辅助喷嘴气流中心线上，风速在喷嘴出口处达到最大后逐渐减小；2)等大中心孔辅助喷嘴气流中心线上的速度分布均在等大环形孔上方，表明在相同位置处，等大中心孔辅助喷嘴气流速度大于等大环形孔辅助喷嘴气流速度。其原因为：等大中心孔辅助喷嘴的周围，3个喷孔围绕中间大喷孔的喷孔排列方式中，中间大喷孔喷射的主导气流，凝聚了周边小孔喷射的束气流，抑制了气流扩散，延缓了气流速度的衰减，提高了气流的集束性；3)4K04、4K05、4K06型辅助喷嘴的速度分布曲线极为相似，说明此3种孔型辅助喷嘴的喷射性能较为接近。

图8 不同孔型辅助喷嘴耗气量Fig.8 Air consumption of auxiliary nozzle with diferent injector orifice style

图9 气流中心线上速度衰减曲线Fig.9 Decay curve of velocity of airflow centerline

从气流中心线上速度衰减曲线可以看出，在距离辅助喷嘴出口0～40 mm内，4K03型辅助喷嘴的速度分布曲线位于其他曲线之上，说明在该距离内4K03型辅助喷嘴喷射性能最优。

4.1.4四圆孔辅助喷嘴综合性能定量分析

根据分析数据，计算四圆孔辅助喷嘴速度积分S、耗气量Q以及辅助喷嘴综合性能指标K，结果如表2所示。

表2 不同类型四圆孔辅助喷嘴性能评价表Tab.2 Parameters evaluation of four orifice auxiliary nozzle with different styles

表2数据显示：4K03型辅助喷嘴的S值和K值均为最大，说明其喷射性能和综合性能在4孔辅助喷嘴中较优；4K06型辅助喷嘴耗气量最低，K值较大，表明4K06型辅助喷嘴也具有较好的综合性能。

利用以上方法，对喷孔分别为双圆孔、三圆孔、五圆孔、六圆孔、七圆孔、八圆孔的辅助喷嘴进行了研究发现：1)相同孔数的中心环形分布的辅助喷嘴，其出口风速随中心孔直径减小而减小；2)中心环形分布方式的辅助喷嘴喷射性能优于环形分布的辅助喷嘴；3)相同喷孔数目的辅助喷嘴中，双孔并排排布方式、3KS、4K03、5K03、6K05、7K04、8K04型辅助喷嘴综合性能最优。

4.2 不同喷孔数目的辅助喷嘴性能对比

对单圆孔、锥形孔、双孔并排排布方式、3KS、4K03、5K03、6K05、7K04、8K04型辅助喷嘴喷射性能进行研究，并与基本型单圆孔辅助喷嘴进行比较，分析比单圆孔辅助喷嘴耗气量更低、喷射速度更高的辅助喷嘴。

4.2.1不同喷孔数目的辅助喷嘴耗气量对比

表3示出供气压力为0.3 MPa时，不同辅助喷嘴耗气量的对比。数据显示：锥形孔辅助喷嘴耗气量最大，8K04型辅助喷嘴的耗气量最小；相同的喷孔面积条件下，耗气量随着喷孔数目增多呈现递减趋势。

表3 不同喷孔数目辅助喷嘴性能评价表Tab3 Parameters evaluation of different number of orifice auxiliary nozzle

4.2.2综合性能对比

根据分析数据，计算不同喷孔数目的辅助喷嘴的速度积分S、Q以及辅助喷嘴综合性能指标K，结果如表3所示。

由表中数据可知： 1)7K04型辅助喷嘴的速度积分S值较高，其耗气量Q也较小，综合性能指标K值最大，表明该类型辅助喷嘴综合性能最优，是一种理想的辅助喷嘴；2)锥形孔辅助喷嘴的速度积分S值最大，说明其喷射性能最优，但由于其耗气量Q最大，使得其K值较小，由于其喷射性能较好，仅适用于重磅织物的引纬；3)单圆孔辅助喷嘴与5K03、6K05、7K04、8K04型等多孔辅助喷嘴相比，前者的综合性能指标K值较小，表明5K03、6K05、7K04、8K04型等多孔型的辅助喷嘴综合性能优于单圆孔辅助喷嘴。

5 结 论

1)中心环形分布方式的辅助喷嘴喷射性能优于环形分布的辅助喷嘴。

2)相同孔数但直径大小不同的中心环形分布的辅助喷嘴，其出口风速随中心孔直径减小而减小。

3)相同的喷孔面积条件下，耗气量随着喷孔数目增多而减小，8K04型辅助喷嘴耗气量最低。

4)7K04型辅助喷嘴综合性能最优，喷射速度高，耗气量低，适合于大多数织物高速引纬；锥形孔辅助喷嘴喷射性能最优，但耗气量高，适合于重磅织物引纬。

5)5K03、6K05、7K04、8K04型辅助喷嘴综合性能优于单圆孔辅助喷嘴。