（机械设计及理论专业论文）喷气织机主喷嘴气流引纬三维数值模拟分析.pdf

喷气织机主喷嘴气流引纬三维数值模拟分析摘要 喷气织机主喷嘴气流引纬三维数值模拟分析 摘要 本文在总结国内外研究的基础上，运用c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 理 论对喷气织机主喷嘴引纬气流进行完整的三维分析，并针对不同的喷嘴芯参数进 行相应的数值模拟，并比较其优缺点，得出较佳的参数组合以指导生产实践起到 节省人力、物力和财力的作用。本论文由以下几方面研究构成。 1 在本文第一章，介绍喷气织机主喷嘴气流引纬的过程，并介绍主喷嘴结构 和从流体力学的角度介绍引纬气流的特性，然后介绍本课题的研究意义。 2 在第二章，运用流体动力学原理建立喷气织机主喷嘴气流引纬流场的数值 模型。 3 在第三章，运用三维建模软件p r o e 建立主喷嘴的三维模型，并运用 h y p e r m e s h 软件划分引纬流场的网格，然后将划分好的网格文件导入f l u e n t 专用的 前处理软件g a m b i t 设定边界条件。 4 在第四章，运用f l u e n t 软件对所建立的几何模型进行数值模拟，并将模拟 结果与实验值相比较，取得一致，验证了采用f l u e n t 模拟喷气织机主喷嘴三维气 流引纬流场的可行性。 5 在本文第五章，运用f l u e n t 软件对具有不同喷嘴芯整流槽数目、导纱孔直 径和喷嘴芯出口到导纱槽距离，采用不同的供气压力时进行数值模拟，并比较不 同主喷嘴结构和供气压力组合的优越性。 关键词：喷气织机；主喷嘴；气流引纬；三维流场；f l u e n t ；h y p e r m e s h 作者：郭杰 指导教师：冯志华 a b s t r a ct 3 ds t i m u l a t i o na n da n a l y s i so f w e f tl n s e r t i o nf l o wo fm a t nn o z z l ei na na i rj c tl o o m 3 ds t i m u l a t i o na n da n a l y s i so fw e f ti n s e r t i o nf l o wo f m a fn o z z l ei na na i rj e tloomainn o z z l e a b s t r a c t c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) i su s e dt oa n a l y z et h ew h o l e3 - dw e f t i n s e r t i o nf l o wo fm a i nn o z z l eo faa i r - j e tl o o mi nt h i sd i s s e r t a t i o n ab e t t e rc o m b i n a t i o n o fp a r a m e t e r sw i l lb eg i v e na f t e rt h es i m u l a t i o no fm a i nn o z z l e sw i t hd i f f e r e n t p a r a m e t e r sa n dc o m p a r i n gt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s i no r d e rt o g u i d e m a n u f a c t u r ea n ds a v em a n p o w e r , m a t e r i a la n dm o n e y t h i sd e s e r t a t i o ni sc o n s i s t e do f s o m er e s e a r c h e s 鼬b e l l o w 1 t h ep r o c e s so fm a i nn o z z l e sw e f ti n s e n i o nf l o w , t h es t r u c t u r eo fm a i nn o z z l e t h ec h a r a c t e r i s t i co fw e f ti n s e r t i o nf l o wi nt h ep o i n to fh y d r o d y n a m i c sa n dt h er e s e a r c h s i g n i f i c a n c eo f t h i sd i s s e r t a t i o ni si n t r o d u c e di nc h a p t e r1 2 t h ep r i n c i p l eo fh y d r o k i n e t i c si su s e dt oe s t a b l i s ht h en u m e r i c a lm o d e lo f f l o w f i e l di nw e f ti n s e r t i o nf l o wo fm a i nn o z z l eo fa i rj e tl o o m si nc h a p t e r2 3 3 dm o d e lo fm a i nn o z z l ei sc o n s t r u c t e db yp r o e a n dt h eg r i d so fw e f t i n s e r t i o nf l o w 脚ec o n s t r u c t e db yh y p e r m e s h a f t e rt h a t t h eg r i d sd o c u m e n ti se x p o r t e d t og a m b i tt h a ti st h es p e c i a lp r o - p r o c e s s i n gs o f t w a r eo ff l u e n ta n ds e tb o u n d a r y c o n d i t i o n si nc h a p t e r3 4 as o f t w a r en a m e df l u e n ti su s e dt os i m u l a t et h eg e o m e t r i c a lm o d e lw h i c hi s e s t a b l i s h e db yg a m b i t c o m p a r e dt h es i m u l a t i n gr e s u l t sw i t ht h et e s tr e s u l t s t h e f e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o dw h i c hu s e sf l u e n tt o s i m u l a t et h e3 - df l o wf i e l di nw e f t i n s e r t i o no fm a i nn o z z l eo fa i rj e tl o o mi sv a l i d a t e d 5 f l u e n ti su s e dt os t i m u l a t em a i nn o z z l e sw i t hd i f f e r e n tn u m b e ro fs l o tn o z z l e c o r er e c t i f i e r , i n t r o d u c t i o ny a r nd i a m e t e r , d i s t a n c eb e t w e e nt h eo u t e ro fc o r ea n ds l o t , a n ds u p p l ya i rp r e s s u r e s t h ea d v a n t a g eo fd i f f e r e n tc o m b i n a t i o no fs t r u c t u r eo fm a i n 1 1 3 ds t i m u l a t i o na n da n a l y s i so f w e f ti n s e r t i o nf l o wo f m a i nn o z z l ei n 姐a i rj e tl o o m a b s t r a c t n o z z l ea n ds u p p l ya i rp r e s s u r ei sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：a i r - j e tl o o m ；m a i n n o z z l e ；w e f ti n s e r t i o n ；3 一df l o w ；f l u e n t ；h y p e r m e s h n l w r i t t e nb yg u oj i e s u p e r v i s e db yz h i h u af e n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：盘：耋：白期：2 竺22 二 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的。 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 日 期： 日期： 2 口9 75 喷气织机主喷嘴气流引纬三维数值模拟分析 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 上世纪初，美国人b r o o k s 首先提出利用气流引纬代替梭子引纬的设计想法， 并申请专利。但是，当时无法解决喷射射流快速扩散的问题，对气流缺乏控制【l 】。 1 9 2 9 年b e l l o w 发明了喷嘴引纬，利用接应喷嘴控制射流。瑞典人m a x p a a b o 设计 了第一台商用喷气织机m a x b o ，经过改进，幅宽增加到1 2 0 c m 。之后，由于气流控 制技术的局限，喷气织机的发展以及纬纱飞行稳定性的提高，喷气织机也取得了 发展，技术上包括荷兰t e - s t r a k e 研究成功的主、辅喷嘴与异型筘相结合的引纬 方式，原捷克i n v e s t a 公司的管道片式引纬，日本丰田公司的辅助喷嘴与管道片式 引导空气相结合的方式。上世纪8 0 年代以来，随着电子技术、计算机技术在喷气 织机上的飞速发展，其机构部分大大简化，工艺性能更为理想，在织物质量、生 产率方面有了极大的进步。喷气织机已成为发展最快的一种织机位1 。 喷气织机是新型无梭织机的一种，随着自动控制等技术的发展，其织物品种 适应性不断扩展，筘幅，转速，运行效率也不断提高而得到迅速发展。目前广泛 采用主喷嘴+ 辅喷嘴+ 异型筘的引纬方式，使纬纱在梭口中飞行的稳定性增加，从 而扩展了品种适应性，同时幅宽大大增加。最高可达5 4 0 c m 。由于辅喷嘴定时，顺 序间隙开启，以及异型筘的半封闭性能减少了气流的扩散，气流动力消耗减少。 主、辅喷嘴的工艺参数可以根据纬纱特性以及引纬长度进行调整，因而对纬纱与 织物的适应性大大提高，并使制造高精密织物和长丝织物成为可能口1 。由于喷气织 机用气流喷射引纬，无梭子的重量和纱筘的摩擦力，并且现代喷气织机结构合理， 梭口高度低，打纬动程短，因此其速度是无梭织机中最高的，可达2 0 0 0 r m i n 以 上。目前，喷气织机己成为制造行业最重要、市场前景最广阔的机织设备之一。 在主辅喷嘴与异形筘结合的引纬方式中，喷气织机将喷射压缩空气流作为引 纬的柔性载体。目前，大多数喷气织机以主喷嘴喷射压缩空气，并以辅助喷嘴分 组、顺序、定时喷射压缩空气来形成引纬气流场。喷气织机的气流引纬分为两部 第一章绪论喷气织机主喷嘴气流引纬三维数值模拟分析 分，第一部分由主喷嘴来实现，第二部分由辅助喷嘴来实现在第一部分中，压 缩空气进入到主喷嘴中经加速后在主喷嘴的导纱管中带动纬纱进行飞行，纬 纱随着气流从主喷嘴中射出，并进入到第一个筘槽中，这就是主喷嘴部分的射流 引纬气流引纬的第二部分主要是在辅助喷嘴的帮助下，保持纬纱的飞行速度， 并完成气流引纬从气流引纬的这两个部分我们可以看出气流引纬从主喷嘴开 始的，因此主喷嘴部分的气流引纬在气流引纬的整个过程中，起到了非常重要的 作用，甚至可以说是最直接的作用，所以本文主要对主喷嘴部分的气流引纬进行 研究 在对主喷嘴部分的气流引纬进行研究之前，首先对主喷嘴的结构、气流引纬 所用气体的特性、研究的意义等进行大致的介绍 当前，困产主喷嘴的制造与研发水平均停留在传统地测绘仿造阶段与喷气 织机主喷嘴气流流场相关的数据主要是通过试验测试方法获得。由于主喷嘴内部 气流流道十分狭窄，难以放置相关传感器；并且传感器的放置会对流场造成一定 的干扰，因此会影响试验测量数据的准确性由于对主喷嘴内部流场测量的难度， 导致国内喷嘴制造厂家对主喷嘴喷气引纬的机理认识不足 目前，对流体力学问题的研究方式通常有三种方法t 实验研究，包括风洞 吹风和试验台测试等l 理论分析研究i 数字模拟研究计算流体力学( c f d ) 是 近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边 缘科学该学科以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学 的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题基于 数值模拟实验的设计方法不受诸多实验、测试、经费、周期、难以实现极端工作 条件以及当时测试仪器发展等客观条件的限制，其优越性不言而喻。利用c f d 真 实地观察喷气织机喷嘴内部流场，为下一步进行喷嘴内腔的结构形状的优化设计 提供指导 目前，通过国内已发表的论文可知，对主喷嘴的气流引纬数值模拟分析主要 有文献 4 以二维数值模拟方式分析基于f l u e n t 软件的c f d 方法分析主喷嘴流场 和文献 5 以三维数值模拟方式分析基于n u m e c a 软件的c f d 方法分析主喷嘴流 场。本文在前人所做工作的基础上使用f l u e n t 软件对主喷嘴内部流场进行三维数 2 喷气织机主喷嘴气流引纬三维数值模拟分析 第一章绪论 值模拟，并通过改变主喷嘴的供气压力、主喷嘴芯导纱槽半径、主喷嘴芯出口到 导纱槽的距离等得出一个较为合理主喷嘴结构参数，对主喷嘴的设计生产起到了 很好的指导作用，同时又节省了实验方法所需要的人力、物力和时间。 1 3 喷气织机主喷嘴简介h 3 当主喷嘴工作时，纬纱在主喷嘴的作用下，由静止状态下起动，加速到一定 速度后被送进由辅助喷嘴及筘槽构成的接力气流场中，穿过梭口，完成与经纱的 交织。因此，主喷嘴在喷气织机的工作过程中有不可替代的作用，甚至被称为喷 气织机的“心脏 。 1 3 1 喷气织机主喷嘴的作用 对于异形筘式喷气织机，引纬工作由主喷嘴在几十个辅助喷嘴的协助下共同 作用完成。主喷嘴在气流引纬过程中所起的主要作用是对气流进行调制、加速， 并对纬纱进行充分作用，使之获得与车速和引纬时间相适应的飞行速度。同时， 经由主喷嘴作用的引纬气流还对气流合成的方向起着主导作用。因此，主喷嘴的 作用归纳为以下三点： 1 将进入主喷嘴的压缩空气，按工艺要求进行调制、加速并充分地作用于纬 纱表面，使纬纱从静止加速到纬纱所需要的飞行速度。 2 将纬纱输送到异形筘槽内并确定纬纱在异形筘槽内的正确位置。 3 纬纱飞行角取决于主喷气流速度的大小和喷射时间的长短。 1 3 2 喷气织机主喷嘴的结构 主喷嘴的结构及描述见文献h 1 。 目前主喷嘴主要应用两类： 1 用于管道片式喷气织机。 2 用于异形筘式喷气织机。目前该类主喷嘴的使用范围较广泛，故为本文主 要研究对象。 主喷嘴的作用主要有两方面： 1 将进入主喷嘴的压缩空气，按工艺要求进行调制，加速并充分地作用于纬 - 3 - 第一章绪论喷气织机主喷嘴气流引纬三维数值模拟分析 纱表面，使纬纱从静止加速到引纬所需要的飞行速度 2 将纬纱输送到异形筘槽内，并确定纬纱正确进入异形筘槽内的角度和位 置。 起先，在喷气织机设计初期，主喷嘴采用大口径、大流量、远射程、低速度， 结合管道片的控制气流和导向作用，把纬纱引入梭口，但织物的幅宽只有】m 左右 随着喷气织机的发展，喷气织机的主喷嘴结构也在改良现在，喷气织机主喷嘴 结构采用小口径、小流量、高速度、近射程结构，结合异形筘和接力辅助喷嘴的 导向和喷射，把纬纱引入幅宽达3 4 m 的梭口 目前，主喷嘴结构设计的目的是能够获得音速或接近于音速的出口风速，而 这样高的出口风速对保证车速在1 0 0 0 r m i n 以上的喷气织机正常引纬是必要条件 在异形筘式喷气织机中，由于主喷嘴与辅助喷嘴的输送纬纱飞过梭口的分工不同， 因此主喷嘴常采用“高压力，小流量 的设计方案，即喉部截面积小且导纱管孔 径较小而长度又较长的方案。 1 4 引纬所用气流的特性陬。3 1 4 1 空气流动的一般特征 物理学指出，空气是一种流体，流体承受拉力和切力的能力很小，流体只要 受到微小的切力就要产生变形和流动但流体能承受较大的压力，工程上常利用 流体的压力作功把空气进行压缩，空气的体积缩小，压强及重度增加，并积蓄 了内能当释压时，空气的体积迅速膨胀，压强及密度减小，内能也随之降低 如果把经压缩的空气引入喷射器并释放出来便能形成高速气流束，将高速气流 柬应用在工程上，就可获得许多有价值的作业效果，喷气引纬就是其中的一种应 用。 1 4 1 1 空气的压缩性和膨胀性 密闭容器内的空气受到压力作用便被压缩导致压力增大、体积减小、密度 增加且内能也增大密闭容器内的压力降低会导致压缩空气膨胀，其结果为压力 4 喷气织机主喷嘴气流引纬三维数值模拟分析第一章绪论 降低、体积增大、密度减小而内能也减小。 喷气织机主喷嘴的工作原理就是利用空气的压缩性和膨胀性这一特性的。先 将空气进行压缩，使空气的体积缩小，压强及密度增加，并积蓄了内能，然后将 压缩的空气引入喷气织机的主喷嘴中，经过整流加速等一系列过程后，随着主喷 嘴释放。此时，空气的体积迅速膨胀，压强及密度减小，内能也随之降低，使空 气形成高速气流束，由高速气流束牵引着纬纱飞入到梭口中。 1 4 1 2 空气的流动性和粘滞性 流体的流动状况受制于流体的粘滞性。粘滞性是流体内部质点间或流层间相 对运动的内摩擦的表现，内摩擦力虽有抗拒流体相对运动的性质，却不能从根本 上制止流动的发生。空气的粘滞性随着温度的升高和压力的增大而增大，如压力 变化范围小于0 9 8 0 7 m p a ( 1 0 k g f c m 2 ) 时，可以不计其粘滞性的变化。 空气的粘滞性可用粘性系数来表示，有动力粘性系数和运动粘性系数之分。 空气的内摩擦力f 与相邻层速度梯度d u d y 的比值，称为空气的动力粘性系 数，用a 来表示： f “= 一 。d u d y ( 1 1 ) 其国际制单位为牛顿秒米2 ( n s m 2 ) 或帕斯卡秒( p a s ) 。 动力粘性系数a 在同温同压下与空气密度p 的比值，称为运动粘性系数，用u 表示，即 d = 二- p ( 1 2 ) u 的国际单位为米2 秒( i l l 2 s ) 。在d 的因次中没有力的因子，只有运动学要素。u 值 愈大，反映流体质点间相互牵制的作用愈显著，流动性愈低；反之，流动性愈高。 1 4 2 空气紊流的特征 1 8 8 3 年，英国物理学家雷诺( r e y n o l d s ) 等人对流体进行实验时发现，流体运 - 5 - 第一章培论喷气织机主喷嘴气流引纬三维数值模拟分析 动有两种性质不同的状态，即层流与紊流，紊流又叫淌流。 层流是指管内流体层面间互不相混的流动紊流指管流内液体质点的运动轨 迹是不规则的，不仅有沿着流动方向的位移，并且有与流动方向相垂直的位移 而且质点的流动方向和速度随时间变化而变化 霄诺等人发现判断流体流动状态的四个要素。流体密度p 、流体的动力学粘 性系数、某一特征速度和特征长度u 和二将四个因素组合成一个无因次数， 称之为霄诺数，以r e 表示，即 r e 暑v d , o 叠堕 1 7 ( 1 3 ) r e 是流体运动时惯性力与粘性力的典型值之比，是粘性流体力学中重要的量 纲参数自霄诺等人发现流体有层流和紊流之分后，又经过不断的试验得出，对 于任何牛顿质流体( 即满足牛顿内摩擦定律墨_ - 的流体) 而言。层流和紊流的 o “，a y 临界臂诺数约为2 3 0 0 ，体现如下t r e 2 3 0 0 紊流 r e 值愈大，流体流动就愈紊乱紊流流动的脉动大小可以用湍流度占来表示 当喷气织机工作时，喷气引纬是高速射流引纬，空气经空气压缩机加压成为 具有一定压力的压缩空气，经管道片引入喷气织机的喷嘴，形成霄诺数可高达1 0 。一 1 0 。左右的射流，射流在管道片或筘槽引导下流动，流动状态属于紊流流动。显然， 喷气引纬的射流湍流度应愈小愈好，因为较小的湍流度可减小纱线在气流中的飘 动影响紊流湍流度的重要因素是管壁和气流摩擦所产生的漩涡，管道愈光滑， 气流质点的脉动愈小 1 4 3 异形筘式喷气织机引纬气流参数 异形筘式喷气织机是目前常用的喷气织机，也是本文所研究的喷气织机，因 此本文所涉及的常用异形筘式喷气织机参数为。 气流压力p 昌( 2 。p 4 。0 ) 1 0 5 p a ( 2 4 k g t c m 2 ) ； 6 喷气织机主喷嘴气流引纬三维数值模拟分析 第一章绪论 气流速度y = 1 5 0 3 0 0 m s ； 纬纱飞行平均速度v - - 4 5 一- - 1 3 0 m s ； 雷诺数r e 1 0 8 。 由此可见，现有喷气引纬的气流，其雷诺数值远远超过r e = 2 3 0 0 层流界线， 因此，把喷气引纬所用气流归属于低压力、小流量、亚音速的紊流范围是适宜的。 1 5 研究的意义 喷气织机从诞生起就一起广泛的关注，但是由于当时的科学技术水平较落后， 导致气流的耗散较严重，使得气流引纬变得不稳定，真正投入大规模使用却在近 3 0 年。由于喷气织机利用压缩空气引纬，因此尽管已有数十年的深入研究，但是 引纬纬线的摩擦系数、主喷嘴的结构与管壁加工精度的不同，导致理论算法及实 验的结果相差较大。如今，国内对于喷气织机气流引纬的研究1 0 。2 别，集中在两方 面： 1 对主喷嘴引纬气流引纬的研究 2 对辅喷嘴接力气流引纬的研究 其中，由于耗能等因素，对于辅助喷嘴接力气流引纬的研究要多余主喷嘴引 纬气流的研究。对于主喷嘴的研究，主要集中在理论方面，实验研究主要集中在 对主喷嘴射流方面，虽然有些研究得出了主喷嘴的结构对气流引纬的效果有很大 影响的结论，但没有得到具体的主喷嘴结构对引纬气流效果的影响作用。 在上世纪九十年代中期前，国外对主喷嘴引纬气流的研究比较多一些，但是 随着社会的进步，从事相关研究的人员减少。3 们。在实验方面，国外主要针对主 喷嘴内流场中引纬气流进行研究的；在理论方面，主要是根据流体动力学进行分 析和研究。随着计算机技术的迅猛发展，越来越多的研究者开始使用计算机对主 喷嘴内流场进行数值模拟。但是在数值研究的初期，很多研究者都是自己编写程 序对主喷嘴引纬气流进行数值模拟，虽然可以使人们对主喷嘴引纬气流主的气流 流动及影响气流引纬的主喷嘴机构参数有了解，但是不能对主喷嘴引纬过程有整 体认识。 本文在前人研究的基础上，利用c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) _ 7 - 第一章绪论喷气织机主喷嘴气流引纬三维数值模拟分析 软件f l u e n t 对喷气织机主喷嘴内流场进行三维数值模拟，通过改变主喷嘴的供气 压力、喷嘴芯导纱孔半径、喷嘴芯出口到导纱槽距离等参数，得出一个较为合理 的主喷嘴结构参数，对主喷嘴的设计起到很好的知道作用，同时又节省了实验方 法所需的人力、物力和时间。 8 喷气织机主喷嘴气流引纬三维数值模拟分析第二章控制方程及湍流模型 第二章控制方程及湍流模型 本章将介绍喷气织机主喷嘴流场计算所需要的控制方程、湍能方程及状态方 程，做数值计算的前期准备工作。 2 1 控制方程 喷气织机主喷嘴内部的气体流动可以看做是粘性可压缩流动，其遵循物理学 三大定律，即质量守恒定律、栋梁守恒定律和能量守恒定律。为了使方程组封闭， 还需要加上联系热力学状态参数的状态方程。对于粘性流动有三个主要特征，即 流动的有旋性、涡量的扩散性和能量的耗散性。湍流的特性是粘性流动的有旋性， 并且不同尺度的涡总是存在的。因此，涡的产生、运输和扩散是很重要的，这些 性质由流体动力学基本方程组所决定陬 根据实验测定3 1 、3 2 ，喷气织机主喷嘴出口处的气流速度可达i 5 0 m s 3 0 0 m s ， 雷诺数很高，可达1 0 8 ，由此可知喷嘴内的气流运动为湍流流动。 在直角坐标系下，可压缩牛顿型流体运动的控制方程表示如下m 1 ： 1 连续方程： 单位时问内流入流出微元体与密度的变化相平衡，即： 警+ 毒( 州 ( 2 1 ) 式中，坼为气流速度在薯方向的分量；p 为气体密度；p 为压强。 2 动量守恒方程： 粘性流体的动量守恒方程是动量守恒定律对于粘性流体运动规律的数学表 述，它可由牛顿第二定律推出，方程如下： 昙c 似，+ 考魄吩，= 一吉考一4 瓦0 与2 胸+ 毒乃 。2 2 ， 式中，口无量纲数，是选择压力梯度换算方法的控制变量。 第二章控制方程及湍流模型 喷气织机主喷嘴气流引纬三维数值模拟分析 p 流体的静压力 a o 选择层流还是湍流的控制变量。 k 湍流脉动动能，七墨i l 坼, - - 7 气一湍流粘性应力张量嘞暖堕o u j + 考 - 詈鼍以 骷性系数 3 能量方程 螋+挈i瓦0百i矿atot c品 良。饥、a 砖 。 式中，t 为温度l 五为导热系数l 郎为定压比热 品为源项 4 气体的状态方程： p 墨p r t 式中，尺为气体常数。 2 2 湍流方程 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 十九世纪，科学家们认识到理论流体与工程实际相差太远，试图给欧拉的理 想流体运动方程加上摩擦力项纳维( n a v i e r1 8 2 7 ) ，柯西( c a u c h y1 8 2 8 ) ，泊松 ( p o i s s o n l8 2 9 ) ，圣维南( s t v e n a n t18 4 3 ) 和斯托克斯( s t o k e s18 4 5 ) 分别以自己不同的 方式对欧拉方程作出修正s t o k e s 首次采用动力粘性系数1 1 该基本方程称为 n a v i e r - s t o k e s 方程( 简称n s 方程) 在主喷嘴工作过程中，引纬气流的流动具有淌流特性，因此对湍流流动的数 值模拟是极其必要的目前，有三类方法可以用来数值模拟湍流流动1 t 1 采用非定常n - s 方程组对湍流进行的直接数值模拟方法( d i r e c tn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，简称d n s ) 2 采用非定常n s 方程组模拟大涡，采用近似湍流模型计算的大涡模拟方法 ( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，简称l e s ) 模拟小涡 10 喷气织机主喷嘴气流引纬三维数值模拟分析第二章控制方程及湍流模型 3 采用雷诺平均n s 方程组的湍流模型方法( r e y n o l d s ，简称r a n s ) 。 尽管现在的计算机技术已经发展到前所未有的高度，但是对于流体力学中的 湍流问题，由于计算量太大，在目前计算机发展的基础上，采用直接数值模拟和 大涡模拟方法分析较为复杂的湍流流动还是不太现实。在解决工程实际问题中， 人们仍然经常采用湍流模型方法。随着计算机技术的发展，越来越多、越来越复 杂的工程问题可以使用湍流模型求解，同时也促进湍流模型理论的发展和完善。 d n s 方法是直接用瞬时的n s 方程对湍流进行计算。d n s 的最大好处就是无 需对湍流流动作任何简化或近似，理论上可以得到相对准确的计算结果，但是d n s 对内存空间及c p u 的计算速度要求非常高，目前还无法用于真正意义上的工程计 算。 l e s 方法是将比网格尺度大的湍流流动通过n s 方程直接计算出来，对于尺 度较小的涡对大尺度运动的影响则通过建立模型来模拟。 r a n s 方法是将瞬态的脉动量通过某种模型在时均化的方程中体现出来，它的 核心是不直接求解瞬时的n s 方程，而是想办法求解时均化的r e y n o l d s 方程，这 样不仅可以避免d n s 方法计算量大的闯题，而且对工程实际应用也可以取得很好 的效果。因此，r a n s 法是目前使用最为广泛的湍流数值模拟方法屯3 5 1 ，所以，本 文也采用这种方法。 目前工程上常采用时间平均法考察脉动的影响，即把湍流运动分成两部分： 一是时间平均流动；二是瞬时脉动流动。 将脉动分离出可以便于处理。r a n s 法就是将任一变量的时间平均值定义为 因此，时均值分解为： = ；f + r o ) d f 矽= 痧+ ( 2 5 ) ( 2 6 ) 其中，上标“一”代表对时间的平均量，上标川 表示脉动量，因此，表示物 理量的瞬时值，矽表示时均值，表示脉动值。时间间隔丁是时间平均的周期，它 “ 第二章控制方程及淌流模型喷气i ：i 机主喷嘴气流引纬三维数值模拟分析 相对于脉动周期要选得足够长，而相对于缓变的时均值的变化周期却要足够短 先用平均值与脉动值之和代替流动变量，即t 一 坼置嘶+ m ( 2 7 ) 一 p 皇p + p ( 2 8 ) 一 p 墨p + p ( 2 9 ) 将式( 2 。7 ) 、( 2 。8 ) 代入式( 2 。1 ) 中可得t o p a + 毒( 万+ 劢量。 ( 2 1 0 ) 式( 2 1 1 ) 就是可压缩流体湍流平均运动的连续方程，与式( 2 1 ) 相比多了相关量 了 散度警监，这是湍流运动引起的附加项由于多出密度速度相关项，应用不便 嘲 因此采用密度加权平均处理该问题用“ 表示密度加权平均，仍用“一 表 示时间平均，则瞬时变量的密度加权平均的定义如下- = p c 妒墨_ p ( 2 1 1 ) 由于喷气织机主喷嘴中气流流动的速度在1 5 0 m s 3 0 0 m s 之间，属于亚音速， 同时，霄诺数高达1 0 。，因此，变j l t u 。和t 采用密度加权平均分解，而p 、p 仍采 用时间平均分解，即式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 由此可得密度加权平均速度为t z 墨组 p ( 2 1 2 ) 则湍流瞬时速度可表示为： 约墨i + 均” ( 2 1 3 ) 式中m 。表示相对于密度加权平均值的脉动速度因此，可得可压缩流体的平均运 动方程的连续方程： a p 盘+ 昙( 瓦) 皇0 一f ，“l 皇 勖 叙”“ 1 2 ( 2 1 4 ) 喷气织机主喷嘴气流引纬三维数值模拟分析第二章控制方程及湍流模型 为： 由于彻体力较小，可以忽略，则可压缩流体的平均运动方程的动量守恒方程 譬+ 警= 一薯+ 考c 譬+ 等，一詈等岛，一专菇而 。2 。5 ， 挈+ 丢泖，2 苦c 昙詈磊聃品 亿 2 3 湍流模型 流体进行湍流运动时，瞬时运动极其复杂，n s 方程目前为止尚未被完全解决 的方程，目前只有大约一百多个特解被解出来，是最复杂的方程之一。而工程实 用上所关心的是其平均参数，因此仅需得出其平均参数即可。但是不论采用怎样 的方式进行平均化，这些平均参数与层流相比，湍流平均运动的方程组仍多了几 项由脉动量组成的相关项，这些项反应了脉动运动对平均运动的影响。为了建立 这些脉动关联量和平均量之间的关系，引入了湍流模型，以此使得湍流平均运动 方程组得以封闭。目前，主要的湍流模型有雷诺应力模型、代数应力模型和七一占两 方程模型等。因为后一占两方程模型在工程上广泛的使用，其所花费的计算时间要 比其它的湍流模型少，所以本文也选择该模型。 七一占两方程模型是指模型中增加了七方程和占方程，与雷诺方程和连续方程一 道组成封闭方程组。其中，后方程是指湍动能方程，占方程是指湍动能耗散率方程。 对于强旋流或带有弯曲避免的流动时，运用标准七一占两方程湍流模型会出现 一定的失真，因此本文的计算采用了近年来应用较普遍的r n g 七一占湍流模型： 掣+ 掣2 小心针q 一 亿 掣+ 掣2 水心，针c 彤；t c g - c 2 , p 譬 亿 第二章控制方程及湍流模型喷气织机主喷嘴气流引纬三维数值模拟分析 其中 纷= + 鸬，鸬= p q 等，q _ o 0 8 4 5 吧删，一错吗| 1 4 2 ， g 。乩6 8 以= 户q 譬，刁曩r 2 毛邑广2 喜，局墨孔ii 虿a u ，+ 等 仇墨4 3 7 7 ，夕罱0 0 1 2 2 4 本章小结 本章从流体力学的角度介绍了喷气织机主喷嘴流场数值计算所需的所涉及的 控制方程、湍能方程和状态方程。 1 4 喷气缎机主碛嘴气流引纬兰维数值横扭分析第! 章主喷嘴；雏模型建立盈月格划分 第三章主喷嘴三维模型建立及网格划分 本章将建立主喷嘴的三维模型并划分主喷嘴内部引纬气流场的网格和设定边 界条件，为下一步工作做准备。 31 三维模型的建立 如图3 1 所示为一个完整的主喷嘴 图3 1 主喷嘴 本文根据实际使用专业三维建模软件p r o e 建立主喷嘴的三维模型。如图3 2 纬纱出口 图32 主喷嘴三维模型 其中主喷嘴各主要组成部分的参数如下：主喷嘴导纱管的长度为l l o m 、喉部 截面积为4 2 m m 2 、供气压力为0 4 肝a 、导纱管孔径为3 m m 、喷嘴芯导纱槽直径为 13 、整流槽到喷嘴芯出口的距离为1 4 哪 图3 3 喷嘴芯三维图 一1 5 - 第三章主喷嘴三维模型建立及网格划分喷气织机主喷嘴气流引纬三蠹隹数值模拟分析 图3 3 为主喷嘴主要零件喷嘴芯的三维图喷嘴芯各组成部分的几何参 数对主喷嘴的性能影响很大 3 2 网格模型的建立 网格是c f d 模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体网格质量对c f d 计算精度和计算效率有重要影响对于复杂的c f d 问题，网格生成极为耗时，且 易出错，生成网格所需时间常常大于实际c f d 计算的时间因此，对于目前的c f d 计算多是通过专用的网格生成软件来制作所需要的网格的本文采用业界专用的 网格处理软件h y p c r m c s h 划分网格。 3 2 。lh y p c r m c s h 软件简介 h y p e r m e s h 软件是美国a l t a i r 公司的产品，是世界领先的、功能强大的c a e 应用软件包，也是一个创新、开放的企业级c f d 平台，它集成了设计与分析所需 的各种工具，具有无与伦比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面 在c f d 领域，h y p e r m e s h 最著名的特点是它所具有的强大的有限元网格前处理功能 和后处理功能一般来说，c f d 分析工程师8 0 的时间都花费在了有限元模型的 建立和修改上，而真正的分析求解时间是消耗在计算机工组站上的所以采用一 个功能强大，使用方便灵活，并能够与众多c a d 系统和有限元求解器进行方便的 数据交换的有限元前后处理工具，对于提高有限元分析工作的质量和效率具有十 分重要的意义 h y p e r m e s h 是一个高性能的有限元前后处理器，它能让c f d 分析工程师在高 度交互及可视化的环境下进行仿真分析工作与其他的有限元前后处理器比较 h y p e r m e s h 的图形用户界面易于学习，特别是它支持直接输入已有的三维c a d 几 何模型( c 毛p r o e ，c a t i a 等) 已有的有限元模型，并且导入的效率和模型质量都很高， 可以大大减少很多重复性的工作使得c f d 分析工程师能够投入更多的精力和时 间到分析计算工作上 在处理几何模型和有限元网格的效率和质量方面，h y p e r m c s h 具有很好的速 度，适应性和可定制性，并且模型规模没有软件限制。其他很多有限元前处理软 1 6 喷气织机主喷臂气流引纬三罐羲值模报分析第= 章主喷嘴i 维模型建立厦同格划分 件对于一些复杂的，大规模的模型在读取数据时候，需要很长时间，而且很多情 况下并不能够成功导入模型，这样后续的c f d 分析工作就无法进行；而如果采用 h y p e r m e s h 其强大的几何处理能力使得 b p 锄e s h 可以很快的读取那些结构非常 复杂，规模非常大的模型数据，从而大大提高了c f d 分析工程师的工作效率，也 使得很多应用其他前后处理软件很难或者不能解决的问题变得迎刃而解。 3 22 网格划分 鉴于h y p e r m e s h 软件有如此多优点，所以本文采用h y p e 姗e s h 软件划分网格 首先将上步完成的三维模型保存为s t e p 文件，然后导入h y l 】e n a e s h 进行网格划 分。 在i - i y p e r m e s h 中划分好的网格如图3 4 所示： i n l e t l i n l e t 2 图34 划分好的主喷嘴网格 为了与实际相符合，在压缩空气入口、纬纱入口和纬纱出口都做了相应的延 长。由于主喷嘴在结构上是对称的，所以对主喷嘴划分一半网格即可，求解时只 需在求解器中做相应设置即可。由于硬件和时间的限制，在o u s t 处设置的网格 数比较少，因此下文中数值模拟时在主喷嘴出口处的引纬气流速度的射流中心较 短，但是不影响对主喷嘴内部及出口的引纬气流分析。 1 7 - 第三章主喷嘴三维模型建立及网格划分 喷气织机主喷嘴气流引纬三维数值模拟分析 3 3 边界条件设置 由于在h y p e r m e s h 软件中设置f l u e n t 求解器的边界条件时会出现一些无法预 料的错误。因此本文将上一步完成的网格文件导入f l u e n t 软件专用前处理软件 g a m b i t 中设置边界条件 3 3 1g a m b i t 软件简介3 帕 g a m b i t 是f l u e n t 专用前处理软件包，用来为c f d 模拟生成网格模型，它主要 有以下功能 g a m b i t 的主要功能包括如下三个方面z 1 建立几何模型 2 划分网格 3 指定边界 g a m b i t 提供了多种网格单元，它可以生成结构网格、非结构网格和混合网格 等多种类型的网格它有着良好的自适应功能，能对网格进行细分或粗化，或生 成不连续网格、可变网格和滑移网格在网格生成之后，用户可在g a m b i t 中指定 边界，指定边界的目的是为后续进行c f d 模拟时输入边界条件 g a m b i t 本身提供了几何建模功能，只要模型不太复杂，一般可以直接在g a m b i t 中完成几何建模但对复杂的c f d 问题，特别是三维c f d 问题，g a m b i t 并不是 很有效，这就需要借用c a d 软件来完成几何建模，然后导入到g a m b i t 中来进行 网格划分由于主喷嘴的三维模型较复杂，使用g a m b i t 建立结合模型和划分网格 较复杂，因此分别使用本文所介绍的前两种软件建立集合模型和划分网格 g a m b i t 是一个开放性的软件，它不仅体现在输入方面，还体现在输出方面 它不仅能为f l u e n t 输出网格，而且还可以为其他的分析软件提供网格，如a n s y s 等。 使用g a m b i t 指定边界类型因为c f d 求解器定义了多种不同的边界，如壁 面边界、进口边界、出口边界、对称边界等，因此必须先要在g a m b i t 中指定所使 用的求解器名称( 如f l u e n t 5 6 ) ，然后在指定网格模型中个边界的类型 如图3 4 所示为导入g a m b i t 软件的主喷嘴三维网格， 18 喷气织机主喷嘴气流引纬= 维翦值穰拟分析第三章主喷嘴= 维模型建立丑月格划分 图35 导入0 a m b i t 中的主嚷嘴流场三维阿格 g a m b i t 对不同的求解器提供了相应类型的边界条件，在f l u e n t 5 6 中提供了 w a l l ( 鲕) 、p r e s s u r e “e t ( 压力进口) 、p r e s s u r eo u t l e t ( 压力出口) 、s y m m e 时( 对称 面) 等1 0 多种的边界。本文所需指定的边界条件主要有5 种：p r e s s u r e i n l e t 、w a l l 、 s y m m e 田、p r e s s t u _ e f a r - f i e l d 和p r e s s u r eo u t l e t 。指定的边界类型如图36 所示- 图36 边界条件设置 如图3 6 所示，压缩气体入口和纬纱入口设定为p r e s s u r e - i n l e t 。对称面设定为 s y m m e t r y ，纬纱出r l 处延长段远端设定为p r e s s u