喷气织机异形孔辅助喷嘴的结构及其喷射性能

陈永当,程云飞,殷俊清,陈 青,赵诚诚,顾金芋

(西安工程大学 机电工程学院,陕西 西安 710600)

0 引 言

喷气织机作为主流纺织设备,国内外相关人员对其气流场特性、实验平台搭建、主辅喷嘴气流场特性等进行了大量研究。Kim J H等[1]研究了供气压力、喷向角对辅喷流场特性的影响。EI-Messiry等[2]搭建了一套可用于不同类型喷嘴间的测试比较的实验平台。Adámek K等对辅助喷嘴喷孔壁厚度进行了实验研究[3]和数值模拟[4],证明了喷孔壁厚的增加有利于改善喷射气流的方向性。文献[5-8]分别对筘槽内气流速度以及织机的综合性能进行实验测试,结果表明引纬流场可分为主喷流场和辅喷合成流场2部分。

实现喷气织机高速化的关键在于提高引纬的速度,而辅助喷嘴作为喷气织机的关键性零件,负责将纬纱接力送过梭口。在正常运转时,辅助喷嘴的气耗量占整机的75%左右[9]。辅助喷嘴结构性能的好坏直接影响喷气织机的引纬质量[10]和织机能耗[11],因此辅助喷嘴的结构是研究重点之一。相关学者对单孔喷嘴的喷孔形状[12]、单圆孔孔径[13]、锥度[14],以及主喷嘴的流场[15]等进行了研究,得到不同单孔喷孔形状、单圆孔不同孔径及其锥度值下辅助喷嘴的流场特性，矩形孔喷嘴的最佳长宽比，孔径1.5 mm单圆孔辅助喷嘴最佳锥度值等,证明了喷嘴出口截面积会影响射流速度和持续性。此外,苏州大学课题组证实了单孔辅助喷嘴引纬流场具有射流强度大、稳定性高、集束性好等特性[16]；胥光申通过数值模拟得出中心环形分布多圆孔结构辅助喷嘴的综合性能优于单圆孔辅助喷嘴的结论[17]。

目前对于辅助喷嘴喷孔的研究多集中于常规孔型，如单圆孔、矩形孔、锥形孔、多圆孔等的气流场特性研究和喷孔结构参数优化，对于异形结构喷孔的研究却鲜有报道。基于此，本文提出以环形槽结合中心孔的异形喷孔结构作为辅助喷嘴出口,利用Fluent软件分析此类异形孔结构辅助喷嘴流场,得到其对辅助喷嘴气流场的影响规律，并与常规单圆孔辅助喷嘴的喷射性能进行对比,探讨异形喷孔对于辅助喷嘴整体喷射性能的影响。

1 辅助喷嘴异形喷孔结构设计

压缩空气流过辅助喷嘴的运动为等熵运动，即为流动过程无能量损失的绝热过程。在辅助喷管内部,气流流速较低,为亚声速。但当气流经过喷孔时,速度快速增大,压力及密度降低使气流在大气中快速膨胀,距喷孔越远气流速度衰减越快[18]。改变喷孔形状或喷孔排布形式，气流特性亦会产生相应的变化。因此，在中心喷孔外增加环形槽结构作为辅助喷嘴出口，研究异形结构出口对其喷射性能的影响,并据此设计了4类不同结构参数的异形孔辅助喷嘴。图1为生产中常用单圆孔辅助喷嘴结构参数值及其三维模型。

(a) 辅助喷嘴结构参数(单位：mm)

(b) 三维模型图 1 单圆孔辅助喷嘴结构参数及其三维模型Fig.1 Structural parameters of single circular hole auxiliary nozzle and its 3D model

图2是以喷孔直径1.5 mm单圆孔辅助喷嘴为基础,依据喷射出口面积等效原则(出口总面积1.766 25 mm2)计算出4类异形孔辅助喷嘴详细结构参数值,其中各类喷孔的环形槽内外圆半径分别为0.7 mm和0.9 mm。各环形槽出口总面积确定之后，再以其中心喷孔进行圆整得到各中心喷孔的计算半径,从而保证各类喷孔的出口总面积一致。

为更好对比,文中辅助喷嘴除喷孔形状及其结构参数不同以外,其余结构参数均与常规单圆孔辅助喷嘴保持一致。双槽、三槽、四槽、五槽异形喷孔结构依次命名为K1、K2、K3、K4型辅助喷嘴。辅助喷嘴喷孔实际加工中通常采用电火花方法[16],目前电火花加工机精度普遍在±0.005 mm,一些高端机型精度可达±0.002 mm。文中4类辅助喷嘴环形槽与中心喷孔之间的最小间距为0.13 mm,环形槽最小圆弧半径为0.1 mm,其余结构参数均大于0.1 mm，符合实际生产加工要求。

图 2 各异形孔辅助喷嘴喷孔参数值及其三维模型Fig.2 Detailed parameters of the auxiliary nozzles with special-shape and its 3D model

2 辅助喷嘴流场模型

2.1 三维模型建立、网格划分

利用三维建模软件建立单圆孔及4类异形孔辅助喷嘴的半流场模型。图3为辅助喷嘴的三维流场,包括喷嘴内部流场和外部远扬流场,其中外部远扬流场的长度为80 mm,直径为24 mm。

图 3 辅助喷嘴三维流场模型Fig.3 3D flow field of auxiliary nozzle

2.2 边界条件和求解器设定

利用Ansys中Mesh插件对辅助喷嘴三维流场模型进行网格划分,图4为流场模型网格划分及边界设定。

图 4 流场模型网格划分及边界设定Fig.4 Flow field meshing and boundary setting

图4中，网格密度为100,网格划分质量为fine,采用自由四面体网格,最终生成网格数量约84万个;根据求解需要生成网格后，分别设置其压力入口、对称面、压力出口和壁面4个边界条件。将定义好边界属性的网格文件导入Fluent中并检查网格是否可以被求解,设置Fluent中的流场边界参数值(见表1)。

表 1 Fluent中流场边界条件设定Tab.1 Flow field boundary condition setting in Fluent

参数设置完成后进行求解器设定,采用密度基隐式求解器计算。湍流模型选用RNGk-ε双方程模型,流体介质选用理想气体,采用混合初始化条件,迭代次数为500次。

3 结果与分析

供气压力一定时,辅助喷嘴的喷射性能主要以其最大出口风速,射流中心线上速度衰减趋势及气耗量等确定[8]。不过，上述指标作为辅助喷嘴喷射性能评价标准主要针对于常规孔型,对于异形孔辅助喷嘴的喷射性并不能做出全面的评价。因此，在现有评价基础上进一步对比分析距喷嘴出口50 mm处截面速度的分布情况，以更好地说明其喷射性能。

3.1 对称面上速度云图

图5为供气压力0.3 MPa,单圆孔及4类异形孔辅助喷嘴对称面上速度分布云图。由图5可以看出各辅助喷嘴的自由射流的速度分布情况。5类不同孔型辅助喷嘴出口处速度值分别为431,465,469,463,466 m/s。

(a) 单圆孔

(b) K1型

(c) K2型

(d) K3型

(e) K4型图 5 各型辅助喷嘴对称面速度分布云图Fig.5 Symmetrical surface velocity contours of various auxiliary nozzles

3.2 气流中心线上速度分布及气耗量

图6为单圆孔和4类异形孔辅助喷嘴气流中心线上速度衰减曲线图。由图6可见,在距喷嘴出口处0～10 mm范围内异形孔辅助喷嘴整体气流速度较高,但气流波动较为剧烈,曲线斜率较大,说明其衰减速度快。0～20 mm范围内K1型表现较好;25 mm之后异形孔辅助喷嘴衰减曲线均处于单圆孔曲线下方,且其衰减曲线相似度较高,说明其喷射性能相似。5条衰减曲线呈梯次下降,表明距喷嘴较远处异形孔辅助喷嘴的气流速度衰减较快。随环形槽数目的增加异形孔结构辅喷嘴气流集束性减弱,导致气流速度衰减加快。

图 6 气流中心线上速度衰减曲线Fig.6 Velocity attenuation curve of airflow centerline

表2为各型辅助喷嘴最大出口风速和入口质量流对比(入口质量流越大即气耗量越大)。由表2可知,异形孔辅助喷嘴中除K1型外,其余孔型辅助喷嘴的耗气量均小于单圆孔辅助喷嘴,表明K2、K3、K4型辅助喷嘴的节能性要优于单圆孔辅助喷嘴。

表 2 各型辅助喷嘴最大出口风速和耗气量对比Tab.2 Comparison of wind speed and air consumption of each type of auxiliary nozzle

3.3 50 mm处截面速度对比分析

由于喷孔附近存在气流波动现象,供气压力较高时不利于纬纱飞行的稳定性,故在实际引纬过程中对筘槽中纬纱起牵引作用的主要是辅助喷嘴的中远场部分。本文对比分析5类喷孔距喷嘴出口一定距离截面上的气流速度分布情况，图7为各型辅助喷嘴距喷口50 mm处截面速度分布云图。

(a)单圆孔

(b) K1型

(c) K2型

(d) K3型

(e) K4型图 7 50 mm处截面速度分布云图Fig.7 Cloud images of cross-sectional velocity distribution at 50 mm

图8为5类辅助喷嘴距喷口50 mm处截面上提取数据点后生成的速度径向分布对比图。

图 8 截面速度径向分布对比Fig.8 Radial distribution comparison of cross-sectional velocity

由图8可见,4类异形孔速度径向分布曲线开口较大,除最高点处速度分布不同以外，其余部分重合度较高；单圆孔速度径向分布曲线开口较小,10～15 mm范围内单圆孔曲线位于最上方。异形孔辅助喷嘴在50 mm处截面速度大于30 m/s(TT-800喷气织机运行时纱线飞行最高速度应大于30 m/s[19])的等效圆直径约为10 mm,而单圆孔辅助喷嘴的等效圆直径约为7.5 mm。说明单圆孔的气流集束性更好,核心区域的速度更大；异形孔的气流面积更大,有效喷射截面明显优于单圆孔。即异形孔辅助喷嘴的射流对纱线的包容性较好,其引纬稳定性更好,较为适应纱线强度较弱织物和弹力织物的引纬。

4 结 论

1) 通过对比发现,异形孔辅助喷嘴的出口处速度大于单圆孔辅助喷嘴,形槽数目的增加会减弱气流的集束性，导致距喷嘴出口25 mm之后异形孔辅助喷嘴的气流速度衰减加快。

2) 单圆孔的气流集束性更好而异形孔的气流面积更大,异形孔的有效喷射截面优于单圆孔,异形孔辅助喷嘴的射流对纱线的包容性较好,引纬稳定性更好,适合纱线强度较弱织物和弹力织物的引纬。

3) 考虑辅助喷嘴整体喷射性能和耗气量,单圆孔辅助喷嘴的气流集束性较强,适用于常规织物引纬。异形孔辅助喷嘴中K1型耗气量较大,不适用于引纬,K2、K3、K4型辅助喷嘴的节能性优于单圆孔辅助喷嘴,喷射性能适中,可用于引纬。

4) 4类异形孔辅助喷嘴的整体喷射性能类似,随着环形槽数目的增加其气流集束性逐渐减弱，使得4种类型辅助喷嘴的气流速度衰减逐渐加快,但环槽数目的增加有利于降低其耗气量;对比4类异形孔辅助喷嘴距喷孔50 mm处截面速度径向分布图可知，除中心区速度不同以外，4类辅助喷嘴在50 mm处的截面速度分布较为相似,该距离处的4类孔型辅助喷嘴的有效喷射截面亦近似相等。