阵列多孔式辅助喷嘴和异型筘组合流场特性

肖世超，沈敏，2*，何为，周浩邦

(1.武汉纺织大学机械工程与自动化学院，武汉 430200；2.湖北省数字化纺织装备重点实验室，武汉 430200)

喷气织机具有自动化程度高、生产效率高和生产种类多等优点，已成为应用最广泛的无梭织机[1]。主、辅喷嘴喷射出高速气流汇合进入异形筘，牵引纬纱飞过梭口。引纬过程中，辅助喷嘴耗气量占整机的70%～80%，并且主、辅喷嘴组合流场的分布影响织物的最终质量[2]。深入研究引纬组合流场特性，对优化设计辅助喷嘴，降低喷气织机的能耗并提高织物质量，具有重要的理论参考和应用价值。

目前，对喷气织机主喷嘴和辅助喷嘴的射流研究集中采用实验法和数值模拟。Belforte[3]采用实验装置测试了不同结构辅助喷嘴的射流速度和耗气量。钱怡等[4]数值模拟了两个辅助喷嘴射流叠加组合的流场，并搭建实验平台测试了轴向气流速度，验证了数值结果。Cui等[5]数值分析了主、辅喷嘴射流汇合进入异形筘槽引纬组合气流沿主喷嘴中心轴线速度，通过实验验证了数值结果正确性，主喷嘴距第一辅喷45～50 mm是合理的, 辅嘴的喷射角在7°时气流交汇效果较好。Jin等[6]数值模拟了辅助喷嘴射流汇入异型筘道内的流场，分析了异形筘开口角度对组合流场特性的影响。陆庆等[7]数值模拟了两组单圆孔辅助喷嘴汇入异形筘的组合流场，表明主辅喷嘴供气压力差值范围在0.05～0.1 MPa能提升引纬速度且耗散较慢。

孔双祥等[8]数值模拟了锥形孔、单圆孔、矩形孔、正三角形孔4种辅助喷嘴的三维流场，表明锥形孔适合重磅织物引纬，单圆孔适合大多数织物引纬。胥光申等[9]数值模仿真了多孔辅喷射流流场，表明中心环形分布方式的辅助喷嘴优于环形分布的辅助喷嘴。李斯湖等[10]数值分析了辅喷结构参数和供气压力对单个辅喷射流流场分布的影响，表明星形辅喷在气流集束性、引纬平稳性、耗气量方面均有优良表现。陈永当等[11]数值模拟了单个圆孔辅喷和四类环形槽出口的三维流场，结果表明异形孔可以提升辅助喷嘴的引纬稳定性并降低能耗。

然而，现有研究大都集中于单个主喷或者辅喷射流，对于主喷射流与多孔阵列式辅助喷嘴射流，汇入异形筘槽内，其组合流场的成果较少见到。因此，现设计两种多孔阵列式辅助喷嘴，由椭圆孔阵列形成的辅助喷嘴，基于计算流体动力学对主、辅嘴和异形筘的组合流场就行数值仿真，以探讨辅助喷嘴的喷孔形状、阵列方式对组合流场速度和引纬稳定性的影响。

1 阵列多孔式辅助喷嘴

压缩空气在辅助喷嘴中流动时，与外界不产生热交换，气流速度以亚声速为主，流经狭小流道时可达到超音速，当气流由辅助喷嘴内壁飞出后，由于空气的卷吸运动，扩散进入异形筘流道。辅助喷嘴出口截面形状和安装角度等因素会极大影响流场特性。实际工程中多用单圆孔辅助喷嘴，辅喷气流入口直径4.4 mm，出口直径为1.5 mm，壁厚0.5 mm,喷向角α为8°，A-A截面是辅喷入口结构，D区域内为辅喷出口局部放大图。具体尺寸如图1所示。

图1 辅助喷嘴结构参数

保持单圆孔辅喷出口面积不变(1.767 2 mm2)，设计了两种异形孔辅助喷嘴，除出口形状和参数与单圆孔辅喷不同，其他结构参数与单圆孔辅喷一致，如图2所示。单圆孔辅助喷嘴出口直径为1.5 mm, A1号为3个椭圆阵列，其长轴半径0.75 mm，短半轴半径0.25 mm，中心距离均1.1 mm；A2号辅助喷嘴与A1号辅助喷嘴参数相同，仅改变单个椭圆分布位置，中心距为1.47 mm。

图2 辅助喷嘴截面参数

2 组合流场建模

2.1 三维模型建立与网格划分

利用SolidWorks建立主喷嘴、3个辅助喷嘴加异形筘组合的三维几何模型，第1个辅助喷嘴与异形筘左侧面间距为55 mm，其余辅喷间距70 mm，如图3所示。

图3 多个辅助喷嘴组合异形筘几何三维模型

2.2 边界条件和求解器设定

选用专业软件ICEM划分三维流场的网格，异形筘用六面体网格，辅喷用四面体网格划分，生成网格约69万个。分别设置主喷嘴出口速度、辅助喷嘴入口压力和压力出口，其他为刚性壁面，如图4所示。

图4 主、辅喷嘴射流三维流场网格划分图

主喷边界条件设定为：入口速度为150 m/s，湍动能k为21.05 m2/s2，湍动能耗散率ε为52 625.21(kg·m2)/s3，压力出口总压设置为101.325 kPa,辅助喷嘴边界条件设置如表1所示。

表1 辅助喷嘴不同供气压力下的压力入口条件

2.3 Fluent 参数设置

将网格模型导入Fluent中检查，进行流体动力学求解。压缩空气经喷嘴加速，喷管内流体为可压缩黏性流体，外场属于高雷诺数的湍流，且流动曲线弯曲程度大,雷诺数(Reynolds number)Re值高，故采用雷诺应力湍流模型(Reynolds stress meodel)，流体介质设置为理想气体，采用密度基隐式求解进行计算，迭代10 000次。

3 实验方案

主辅喷嘴射流汇入异形筘槽内流速测试原理，如图5所示。将毕托管的感测头放在标记好距离的异形筘槽内，采用智能压力传感器测试毕托管的压力，经过差压变送器输入采集卡，测得的标记处的气流的总压和静压，计算得到异形筘槽内沿纬纱中心轴向的气流速度，再通过上位机进行和数据处理，可获得该点的气流速度为

图5 主辅喷嘴射流流速测试原理图

(1)

式(1)中:ρ为气流密度;P为毕托管测量得到的气流动压;λ为毕托管修正系数,通常为0.99～1.01。

如图6所示，设定主喷嘴与第一个辅助喷嘴间距为55 mm,其他辅助喷嘴间距70 mm，喷向角α为8°。在气流稳定后，纱线的飞行方向即可代表组合气流方向，用刻度尺在毕托管探测头上标记位置，再将探头伸入异形筘槽内，逐步测量筘槽内每一点速度。

图6 喷嘴速度测试装置

4 结果与分析

4.1 数值模型验证

在供气压力为0.3 MPa时，比较数据仿真与实验测试数据，对比单圆孔主辅喷嘴沿主气流中心轴线速度。如图7所示，两者速度变化曲线趋势相同，实验测试数据整体略大于软件模拟数据，原因是测量时选取的筘道径向截面处测量点更靠近壁面，而靠近壁面的射流速度更大，两者速度因此出现少量差异。表明建立的组合流场模型可用于预测主辅喷嘴组合流场。

图7 实验仿真模拟对比图

4.2 多孔式辅喷组合流场轴线速度变化情况

图8为组合流场速度随辅喷形式变化。

从图8中可见，单圆孔、A1号和A2号异性孔辅助喷嘴组合流场轴线速度变化趋势一致。主喷气流进入异形筘，由于空气的卷吸作用，迅速扩散进度异形筘后，速度逐渐降低，每经过一次辅喷，汇合气流速度提升一次。随着距离增加，气流速度整体衰减。辅喷气流依次汇入主喷气流，纱线在组合流场中按气流变化趋势波动前进。其中A2号异形孔辅喷射流的引纬速度最高，单圆孔辅喷射流的速度最低，椭圆孔呈中心阵列布置，可以提升引纬效率。

图8 不同辅喷流场中心线速度曲线图

4.3 多孔式辅喷对气流速度集束性的影响

图9为不同阵列方式的辅喷射流进入异形筘与主喷射流汇合后的速度流线会变化。单圆孔射流与主喷射流汇合后，其组合气流的流线比较分散，特别是到了第三个接力辅助喷嘴，主辅喷嘴射流明显分叉，衰减较快。A1号和A2号异形口辅喷射流与主喷射流汇合，主气流一直都保持比较好的汇合情况，到达第三个辅喷位置时，依然保持了很好的集束性。这是由于阵列式椭圆孔辅助喷嘴具有3个小孔，喷射出三股小射流，能够从更多的空间角度与主喷射流汇合，使得主气流依然保持更好的集束性，引导纬纱穿过梭口。

图9 不同阵列方式辅喷速度流线图

如图10所示，单圆孔辅喷、A1号异形孔和A2号异形孔射流与主喷射流汇合的速度云图。单圆孔辅喷射流的速度云图中只有一个核心区域，A1号异形孔辅喷和A2号异形孔辅喷射流均有多个速度核心。单圆孔辅喷射流的速度核心区域最小，长度最短。A1号异形孔辅喷射流的速度核心区域更大，长度有所增加。A2号异形孔射流的速度核心区面积最大，长度最长。由此可见，A2号异形孔辅喷射流与主喷嘴射流汇合时，依然可以保持很好的集束性，可提高引纬稳定性，引纬质量最好。

图10 辅喷射流进入异型筘后与主喷射流汇合的速度云图

4.4 多孔式辅喷引纬稳定性的变化

如图11所示，单圆孔辅喷、A1号辅喷、A2号辅喷气流的速度矢量图差异明显。单圆孔辅喷流场在靠近引纬头端位置，涡流回流明显，在靠近引纬终端，湍流紊乱，速度损失较大；对比单圆孔辅喷流场，A1号辅喷流场在靠近头端位置有少量涡流，引纬终端位置无明显涡流，气流速度损失更小，总体速度更高；A2号辅喷在整个异形筘内均没有明显的涡流扰动，气流方向一致，引纬效果最优，速度衰减最少，气流更稳定。

图11 辅喷射流速度矢量图

选取靠近主喷嘴的第一个辅喷，沿着辅喷中心轴线在距离辅喷出口5、10、15 mm的位置不同截面，其径向速度分布云图，如图12所示。

图12 不同位置速度云图

3种不同出口形状的辅喷射流，都沿中心轴线向外扩散，随着截面距离的增加，径向速度云图等高线轮廓半径逐渐变大。在5 mm和10 mm截面处，A2号辅喷射流径向速度的半径明显大于单圆孔辅喷，在较大面积内都能保持较高的速度，衰减程度低，其中，A1号辅喷射流速度提高了5 m/s左右，A2号辅喷射流速度提高了8 m/s，A2号辅喷引纬稳定性最优。可见，A2号异形孔引纬稳定性比单圆孔辅喷明显提高，可替换普通单圆孔喷嘴，满足高速引纬现代喷气织机的引纬需求。

5 结论

分析了供气压力在0.3 MPa，不同形状出口的辅喷对主、辅喷嘴射流组合流场的速度、集束性、湍流场分布和引纬稳定性的影响规律，得出如下结论。

(1)多孔结构辅助喷嘴合理布置，可以提高组合气流中心速度，相比于单圆孔辅喷，A2号辅喷气流速度增大了8 m/s。

(2)阵列式椭圆孔辅助喷嘴喷射出多股小射流，能够从更多的空间角度与主喷射流汇合，提高主气流在整个流场中的占比，提高引纬速度和效率。

(3)中心阵列式多孔布置方式，可以减少组合湍流场中的涡旋，抑制湍流紊动。A2号异形孔辅助喷嘴组合气流的集束性最好，引纬质量最优，更适合应用于现代高速织机。