（机械设计及理论专业论文）喷气织机主喷嘴的局部结构优化及喷射性能分析.pdf

_ 苏州大学学位论文使用授权声明 i i i l i | l l | f i | l i f i i i l i l l i i i i i l i i l l i | i l i i i y 19 0 9 6 4 0 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属 在年一月解密后适用本规定。 非涉密论文日 论文作者签名：幽堡日期： 垄! ! ：丝z 导师签名： 日飙尘心争 喷4c 织机主喷嘴的局部结构优化及喷射性能分析摘要 摘要 引纬技术的进步带动了喷气织机的迅速发展，而主喷嘴是引纬技术的核心。 在喷气织机上，主喷嘴性能的好坏对织机效率及织物质量有着直接的影响。综合 国内外相关文献，发现对于主喷嘴的研究主要集中在气流场的测试与分析，而主 喷嘴结构优化方面却鲜有研究。 本文以h t s l 1 c 型主喷嘴为研究对象，选取组成主喷嘴亚音速加速区空间的 喷嘴芯曲面及锥形套的结构为本文的优化参数，对主喷嘴的结构进行优化。首先 将喷嘴芯曲面方程化，建立相应的三维模型，划分网格，设定边界条件，然后利 用流体分析软件f l u e n t 对所建立的模型进行数值模拟，得出了各供气压力下引纬 性能最佳的喷嘴芯曲面方程；然后在此基础上研究了锥形套结构对主喷嘴流场的 影响，得出了各供气压力下最优的亚音速加速区参数组合。 针对他人研究成果及本文中出现的低供气压力时主喷嘴出口速度较低、而高 供气压力时主喷嘴出口速度及压力变化剧烈的问题，提出了通过改变喉部面积的 方法来控制主喷嘴出口的速度及压力。通过分析模拟结果，可以得出，当出口速 度较低时，增大喉部面积，能够明显的提高主喷嘴出口的速度及导纱管内气流的 平均速度和平均压力，进而增加纬纱所受的牵引力；当主喷嘴出口速度与压力变 化剧烈时，减小喉部面积可以有效的降低出口速度，控制其速度与压力的剧变。 本文在他人研究的基础上，进一步优化主喷嘴的结构，得出了o 3 m p a 、0 4 m p a 及0 5 m p a 三种常用供气压力下主喷嘴的最优结构，使其达到了主喷嘴的主要设计 要求，对主喷嘴的设计及制造具有一定的指导意义。 关键词：喷气织机；主喷嘴；结构优化；喷射特性；f l u e n t 作者：路翔飞 指导老师：冯志华 o p t i m i z a t i o no f l o c a ls t r u c t u r ea n da n a l y s i so fj e t t i n g p e r f o m a n c eo fm a i nn o z z l ei na na i r - j e tl o o m a b s t r a c t n e t e c h l l o l o g yp r o c e s so fw e r 洫s e r t i o n 嘶v e s t l l er a p i dd e v e l o p m e n to fa i r j e tl o o m ， 趾dt h em a i l li l o z z l ei st h ek e yo fw e ri n s e r t i o nm o t i o n t h ep e m n n a n c eo fm a i n n o z z l eh a sad i r e c ti i l f l u e n c eo ne m c i e n c yo fa i r _ j e tl o o ma l l dt l l eq u a l 时o ff a b r i c a c c o r d i n gt 0t 1 1 er e f e r e n c e si i lh o m ea n da b m a d ，m o s to fr e s e a r c ho nm a i nn o z z l e c o n c e n t r a t e da tt e s ta i l d 觚a l y s i so fn o wf i e l d h o w e v e r t h e r ei ss e l d o md e a l tw i t ho n 鲫n j c t u r eo p t i m i z a t i o no fm em 2 l i nn o z z l e 1 1 l i sd i s s e 似i o nu s e sh t s 1 一lcm a i nn o z z l ea st l l eo b j e c tt 0a i l a l y z et h e 鼬r u c t u r e p a r a m e t e r so fs u b s o n i ca c c e l e r a t i o nz o n ew h j c hc o n s i s t s o fn o z z l e n e e d l ec u r v e d s u r f a c ea n dt a p e r f i r s t l y ，s e c t i o no fn e e d l ec u i v e ds u r f h c ei si i e s c r i b e db ye q u a t i o n s ，a 3 dm o d e lo fm a i nn o z z l ei sc o i l s t m c t e db yp r o ea n dm e s h e db yh y p e r m e s h ，t l l e n ， b o u n d 叫c o n d i t i o n so ft l l e 鲥d sa r es e tu p a 船rt l l a t ，f l u e n ti s u s e dt os i m u l a t et l l e i n t e r i o rn o wf i e l do fm ee s t a b l i s h e dm o d e l ，m e nt h ee q 叫i o no fb e s tp e 怕m l a i l c eo f 、e ri n s e r t i o ni nt h r e es u p p l yp r e s s u r ei so b t a i n e d o nt 1 1 i sb a s i s ，a 丘e c t so fm ei n t e r i o r n o wf i e l do f l a i nn o z z l ec a u s e db y 切p e r sc h 锄g ea r ea n a l y z e d f i n a l l y a c c o r d i n gt 0 t h e 锄a l v s i so ft h ei n t e r i o rf l o wf i e l d o fm a i l l i l o z z l e ，t l l eo p t i i n a lp a r 锄e t e r s c o m b m a t i o l l so fs u b s o i l i ca c c e l e r a t i o nz o n ea r eo b t a i n e di ns e v e r a js u p p l yp r e s s u r e d u r i n gt l l es t u d y o f p r e v i o u s a n dt h j s 、v o r k ，m ev e l o c n yo fp r o j e c t i o no f a c c e l e r a t i o nt u b ei sr e l a t i v el o wi l ll o ws u p p l yp r e s s u r e ，o t h e r w i s e ，i i lh i g hs u p p l y p r e s s u r e ，t l l e r ea r ev e l o c i 锣a n dp r e s s u r ej u m pi i l t i l ep r q e t i o no fa c c e l e r a t i o nm b e a c c o r d i n gt 0t l l ep r o b l e m ，t ：b i sd i s 删i o np r 0 v i d e sam e t i l o dt oc o n 仃d lt l l ev e l o c i 哆 a n dp r e s s u r eo ft l l ep r o j e c t i o no fa c c e l e r a t i o nt u b eb yc h a n g i n gm m a t a r e ao fm em a i l l n o z z l e t h r o u g h 锄a l y z i n go fs i m u l a t i o nr e s u l t ，i ts h o w sm a tw h e nt t l ev e l o c i t ) ，o f p r o j e c t i 蚰o fa c c e l e m t i o nm b e i sl o w e x p 卸d i n gm r o a ta r e ac o u l di n c r e a s et h ev e l o c 时 o fp m j e c t i o no fa c c e l e m t i o nt u b e 孤dm e 觚v e l o c 时锄dp r e s s u r ei i lt l l ea c c e l e m t i o n t u b e t l l a ti tc 锄i n c r e 弱et h ew e ri 1 1 s e r t i o nf o r c e w 址l em ev e l o c i 哆a n dp r e s s u r e o p t i m i z a t i o no fl o c a ls t r u c t u r ea n da n a l y s i so f j e t t i n gp e r f o r m a n c eo fm a j nn o z z i ei na na i r j e tl 0 0 ma b s t r a c t c h a n g er a p i d l y ，d e c r e 嬲i n g t l l r o a ta r e ac o u l dr e d u c et 1 1 e v e l o c i t y o fp r q e t c i o n e 腩c t i v e l y b a s e do nt h ep r e v i o u ss t u d y t l l es t r u c t u r eo fm a i nn o z z l ei so p t i m i z e d 如n h e ra r l d t h eo p t i m a ls t n l c t u r eo fm a i nn o z z l ei so b t a i n e di nt h es u p p l yp r e s s u r eo f0 3 m p a ， 0 4 m p aa n d0 5 m p ai i lm i sd i s s e r t a t i o n t h eo p t i m 甜s t m c t u r ec o m b i n a t i o n sr e a c ht h e d e s i g ng o a l so ft 1 1 em a i nn o z z l e ，觚dt i l i sc o n c l u s i o n sh a v es o m es i g n i f i c a n c eo nd e s i g n a n dm 粕u f a c t u r i n go fm a i nn o z z l e 1 ( e y w o r d s ：a i r - j e tl o o m ；m a i nn o z z l e ；s t r u c t u r e0 p t i m i z a t i o n ；j e n i n gp e r f o r m a n c e ； f h l e n t u i w r i t t e n b y ：l ux i a j l g f e i s u p e i v i s e db y ：f e n gz h i h u a 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 1 1 喷气织机发展概况一1 1 1 2 国外喷气织机发展现状2 1 1 3 国内喷气织机的发展现状3 1 2 喷气织机主喷嘴简介5 1 2 1 喷气织机主喷嘴的作用及结构一5 1 2 2 主喷嘴研究现状6 1 3 本文主要研究内容7 第二章流场基本方程及数值模拟三维模型建立9 2 1 引纬气流的特性9 2 2 主喷嘴内部流场的基本理论模型9 2 2 1c f d 基本方程9 2 2 2 初始条件及边界条件1 1 2 - 3 数值模拟的软件环境l l 2 4 主喷嘴内部流场模型1 2 2 5 网格划分。1 3 2 6 本章小结1 4 第三章亚音速加速区参数对主喷嘴性能的影响1 5 3 1 主喷嘴的设计目标及评价标准1 5 3 1 1 喷气织机主喷嘴设计目标1 5 3 1 2 主喷嘴性能的评价标准1 5 3 2 影响主喷嘴流场的喷嘴结构参数分析。1 7 3 3 抛物线型喷嘴芯截面17 3 3 1 抛物线方程的改变l7 3 3 2 锥形套结构参数的改变2 7 3 4 直线型喷嘴芯截面3 7 3 4 1 直线方程的改变3 7 3 4 2 锥形套结构参数的改变4 5 3 5 本章小结一5 3 第四章主喷嘴喉部面积对主喷嘴喷射性能的影响5 5 4 1 抛物线型喷嘴芯截面一5 6 4 1 1 供气压力为0 3 m p a 5 6 4 1 2 供气压力为0 5 m p a 5 8 4 2 直线型喷嘴芯截面6 1 4 2 1 供气压力为o 3 m p a 6 l 4 2 2 供气压力为0 5 m p a 6 4 4 3 本章小结6 7 第五章总结与展望。6 9 5 1 本文工作总结一6 9 5 2 本文创新点7 0 5 3 进一步工作的建议一7 0 参考文献7 2 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文7 5 致谢7 6 喷c 织机主喷嘴的局部结构优化及喷射性能分析 第一章绪论 第一章绪论帚一早珀v 匕 1 1 课题研究背景 1 1 1 喷气织机发展概况 纺织技术已有几千年的历史，从最初的手工织布到后来的动力织机，织造技 术一直在进步中。有梭织机从问世到现在已有近3 0 0 年的历史，在漫长的岁月中， 有梭织机在织造中一直占据主导地位，至今在世界织机总数扔占大多数。很长时 间来，人类对于引纬的方式一直固定在用梭子引纬的思维模式中，随着近几十年 生产的迅速发展，有梭织机的缺点日益突出，如织机车速低、震动大、噪声大、 机物料损耗多等，并且不利于高产，通用性较差，针对不同纤维的织物要有相对 应的织机。有梭织机的发展已经遇到了瓶颈，不能满足日益迅速的社会发展，因 而人们不断的寻求新的引纬方式，以求在织造技术上获得突破。无梭织造技术在 1 9 世纪起就着手研究，自上世纪7 0 年代以来，许多新型的无梭织机陆续投入国际 市圳1 1 。目前常见的无梭织机根据引纬方式的不同有剑杆织机、喷气织机、喷水织 机、片梭织机四种。剑杆织机与片梭织机是以小而轻的引纬器代替梭子，进行纬 纱引射，其原理与有梭织机类似。随着流体力学的发展，射流现象被人们引用至 引纬原理中，喷射引纬理论促进了喷水织机出现，但因其织物品种受限制、对水 质要求高等缺点使其应用受到限制。 喷射引纬理论同时也促进了喷气织机的发展。早在上世纪初，美国人就提出 了气流引纬的设想，但因气流从喷嘴喷出后，速度急剧下降，造成大量的能源损 耗，并且纬纱飞行波动大，幅宽窄，入纬率低，在当时的织机设计中并没有得到 应用。但3 0 年后瑞典人m a ) ( p 觚b 0 设计出了第一台商业化的喷气织机，并且经过 改进后进行批量生产，日本m u r a t a 公司在取得许可后也批量生产m a ) ( b o 喷气织机， 这意味着喷气引纬作为一种新型的引纬方式正式进入国际市场【2 1 。 随着流体力学的发展，喷气织机最初面临的气流发散、幅宽狭窄等问题也一 一得到改善。喷气织机发展过程经历了主喷嘴加吸嘴、主喷嘴加管道片及主喷嘴、 辅助喷嘴加异形筘等引纬气流控制方式，而最后一种引纬方式显示了其优势，使 喷气技术有了突破性的进步。 2 0 世纪8 0 年代以来，由于喷气技术的突破性进步，以及电子技术、控制技术 的应用，喷气织机已经可以用计算机自我设定，自我诊断，盥：f 控整个引纬过程。 l 第一章绪论喷气织机主喷嘴的局部结构优化及喷射性能分析 织机的转速大大提高，1 9 9 9 年i t m a ( 国际纺织机械展览会) 展出的织机转速已 经超过1 5 0 0 r r 【l i n 【引，而2 0 0 7 年慕尼黑的i t m a 津田驹展出的喷气织机转速更是达 到1 9 0 0 r r i l i n 【4 j 。喷气织机的织造幅宽也由最初的7 0 c m 拓宽到4 m 多。进入2 l 世 纪后，制造商在继续挖掘高转速的同时，将注意力转至扩大喷气织机的品种适应 性上，织物品种从单一的纯棉向阔幅、多色、长丝等产品扩展，引纬颜色从单色 至4 色、6 色、8 色，甚至1 2 色。喷气织机以其独特的优势在无梭织机中占有越 来越重要的地位。表1 1 为历届i t m a 上展出的各种2 、4 喷气织机的数量，从表 中可以看出喷气织机的发展趋势。 表1 1 历届i t m a 上展出的各类织机数量【2 4 】 展出数量 织机类型 1 9 7 9 年1 9 8 3 年 1 9 8 7 年 1 9 9 1 年1 9 9 5 年1 9 9 9 年2 0 0 3 年2 0 0 7 年 喷水织机 1 275o 喷气织机 2 l5 05 l 6 494 82 9 3 3 挠性剑杆织机 5 35 5 6 63 7 刚性剑杆织机 5 53 8 片梭织机 l l1 4 5 3 多相织机 442l 有梭织机 1 13l 上世纪8 0 年代以后，喷气织机已进入相对成熟的阶段，当今众多纺织厂在选 择新型织机时均优先考虑选用喷气织机。其相对成熟的标志有以下几点f 2 】： 1 普遍采用主喷嘴、辅喷嘴与异形筘相结合的引纬方式； 2 采用自动控制系统，提高织机性能与自动化程度： 3 幅宽增加，入纬率提高； 一一 4 品种适应性扩大； 5 产品质量高； 6 劳动强度低，生产效率高。 1 1 2 国外喷气织机发展现状 国外的喷气织机在计算机、控制工程的迅速发展下取得了巨大的进步，机电 一体化程度达到了相当高的水平。近几年来喷气织机在扩大产品制造范围、提高 织物质量、提高车速、降低能耗等方面做了很大改进，完全体现了高速化、智能 2 喷气织机主喷嘴的局部结构优化及喷射性能分析 第一章绪论 化、自动化、多适应化及可靠性高等优势。 目前国际上知名的的织机制造商全部是国外的企业，如德国的多尼尔 ( d o m i e r ) 、瑞士的苏尔寿( s u l t e x ) 、意大利的舒米特( s o m e t ) 、比利时的必佳乐 ( p i c a n 0 1 ) 、日本的丰田( t 0 y o 脚、津田驹( t s u d a k o m a ) 等。其产品性能体现了当前全 球喷气织机的最高水平。每家公司的织机都有各自的特点，如多尼尔公司一直是 织造技术的领先者，具有许多重要的改进与技术专利，并在生产工艺方面也有较 大的改进；必佳乐公司则大量生产标准型织机，其高性能、高织物质量和全模块 化设计使得织机功能完善，效率高，广泛应用于全球2 6 0 0 多个纺织厂；舒米特某 些型号的织机则对一些重要元件做了改进设计，使其可以以较低的费用生产高质 量的织物；日本津田驹公司的z a x 系列织机则可以根据不同产品的要求提供不同 技术要求的喷气织机【4 1 。 国外的喷气织机是在不断地吸收有梭、剑杆、片梭等织机的成熟技术的基础 上，不断地改进引纬技术，应用最新的计算机及自动控制技术的基础上发展起来 的。例如必佳乐公司o m n ip l u s 型织机成功地移植了剑杆织机s u m o 主电机传动 系统，取消离合器，由电脑控制电机启动和制动，可以有效地防止开车痕。随着 喷气织机的电子化和控制技术的的不断提高，喷气织机已经达到高智能化，可以 自动设定，自我诊断，自我修正，监控整个织造过程【5 】。 国外的织机发展迅速，随着电子技术的不断发展，喷气织机的机电一体化将 更加完善，其自动化程度还将进一步提高。 1 1 3 国内喷气织机的发展现状 我国新型喷气织机的发展起步于上世纪8 0 年代中期，当时在国家的支持下曾 引进津田驹与必佳乐的喷气织机技术，但因客观原因，并没有很好地学习和吸收 国外先进织机的技术，导致新型喷气织机技术没有太大的进步；而9 0 年代中期为 我国喷气织机的快速发展时期，国家再次从日本引进津田驹两种当时世界领先的 喷气织机，并以咸阳纺机厂为研究基地，使得国内的喷气技术取得了很大的进步【们。 进入2 l 世纪后，纺织行业得到了迅速的发展，各种企业对喷气织机的需求也大大 增加，截止到2 0 0 7 年，每年的进口织机数量都在1 0 0 0 0 台以上，在这个时期内， 国内制造喷气织机的厂家也迅速增加，到2 0 0 7 年已有2 5 家企业推出自己研制的 喷气织机【7 】。 虽然国内喷气织机织造技术取得了一定的进步，但是与国外先进的织机相比 3 第一章绪论 喷气织机主喷嘴的局部结构优化及喷射性能分析 还有很大的差距。开发投入少，研发能力不足等各种原因造成了我国与国际先进 水平的差距迟迟不能得到缩短。国内对于高端的喷气织机的制造几乎没有，而中 低端机很多，结构不合理。近几年我国每年对织机的需求达1 5 0 0 0 台，但9 0 都 依赖进口，国产机仅占1 0 左右。2 0 0 6 年一年进口喷气织机达1 4 0 0 0 多台，其中 从日本进口的约占8 0 ，比利时进口的约占1 1 【刀，江苏盛泽一个镇0 6 年就进口 丰田织机达4 0 0 0 多台。目前，中国纺织机械股份有限公司、经纬纺织机械股份有 限公司、江苏万工科技有限公司等几家公司的喷气织机研究项目起点较高，但是 从市场占有量及喷气织机的技术水平来看，国产喷气织机与国际水平差距还是很 大。 资金技术投入不足，企业设计力量得不到补充，特别是在2 0 世纪末因市场不 景气导致许多纺织机械企业大量的设计人员流失，一直得不到有效的补充，对国 家纺织机械的创新能力有严重的影响。而现在各高校从事纺织机械的研究人员也 在逐年减少，目前只有东华大学、天津工业大学、苏州大学、西安理工大学及浙 江理工大学等几所高校还有所研究。 针对喷气织机开发研究中的技术关键和难点，我国的纺织机械行业主要存在 着以下几个问题【8 】： 1 喷嘴的工艺参数设计。喷气引纬是喷气织机的核心技术，国内织机生产厂 家至今没有深入的掌握喷气引纬的机理，而只是单纯的仿造国外的高端织机。喷 嘴是喷气引纬中的核心部件，其主喷嘴和辅助喷嘴的性能将直接影响织机的效率 织物的质量。 2 电器控制系统的可靠性。新型喷气织机采用主喷嘴与辅助喷嘴接力引纬的 方式，喷嘴的开启关闭时间、工作时间等都有严格的要求，其控制系统远比其他 新型织机复杂，因此对电器控制系统的可靠性有很高的要求。 一 3 电磁阀的频率响应与使用寿命。因喷气织机的车速不断提高，织机的工作 效率得到大幅度的提升，截止2 0 0 7 年的第十五届i t m a 上展示的最高车速为 1 9 0 叫n l i n ，现已突破2 0 0 0 r m i n ，如此高的转速，对电磁阀的工作频率及使用寿命 有着苛刻的要求。 4 织机零件的加工精度及装配精度。高转速的织机势必会造成部件的运动惯 性增加，如若零件的加工精度及装配精度达不到要求，会增加织机的振动和磨损， 因此需要高的加工精度及装配精度来保证高速织机运行的可靠性。 4 喷。t 织机主喷嘴的局部结构优化及喷射性能分析第一章绪论 1 2 喷气织机主喷嘴简介 1 2 1 喷气织机主喷嘴的作用及结构【2 】 目前新型喷气织机采用的是主喷嘴、辅助喷嘴加异形筘的引纬方式，很好地 解决了引纬气流的发散问题。主喷嘴是喷气织机的核心部件，其功能的好坏直接 影响喷气织机的工作效率及织物的质量。主喷嘴的主要作用有以下几点： 1 在主喷嘴内部产生负压，将纬纱吸入主喷嘴加速区； 2 在主喷嘴导纱管内，即纬纱加速区要有足够的气流速度及压力加速纬纱， 使纬纱获得一定的速度，平稳的飞出导纱管； 3 主喷嘴的射流要能够结合纬纱获得的速度将其送入筘槽内，与辅助喷嘴形 成接力引纬。 图1 1 所示为国内常见的z a 型主喷嘴结构图。 图1 1z a 型主喷嘴结构图 a 一喷嘴体b 一喷嘴芯c 一锥形套d 一导纱管 l 一纬纱入口2 一纬纱流道3 一压力气体入口4 一第一气室5 一整流槽 6 一亚音速加速区7 一喉部8 一纬纱引射区9 一纬纱加速区 z a 型主喷嘴由喷嘴体、喷嘴芯、锥形套和导纱管四部分组成。压缩机的高压 气流从气体入口进入第一气室，气流沿围绕和沿着轴线方向在第一气室内流动， 气流紊乱无序，进而经过整流槽，使紊乱的气流沿着轴线方向有序的流动。经过 整流槽整流后的气流进入亚音速加速区，由锥形套和喷嘴芯外曲面组成的狭小空 间进行加速。当气流流经喉部时，该处为主喷嘴内面积最小的部位，气流增加到 音速甚至超音速。 导纱管为等直径的圆管，一端插入喷嘴体内，与喷嘴芯的出 j 处形成纬纱引射 区，另外一端则对准筘槽。来自喉部的的高速气体到达纬纱引射区时气压已大大 5 第一章绪论 喷气织机主喷嘴的局部结构优化及喷射性能分析 低于大气压，从而产生负压，将纬纱流道及纬纱进口处的大气吸入纬纱引射区， 同时吸入的气流将纬纱引入纬纱引射区，完成纬纱的吸入，在纬纱加速区，从喉 部进入的高速低压气流与从纬纱流道进入的大气混合，因此这个区域气流速度及 压力将产生剧变。 在纬纱加速区，气流与管壁的摩擦减小了气体流动的直径，也就是气体实际流 动直径减小，这将有助于气流速度的增加，进而增加纬纱所受的牵引力。当气流 进入大气后，根据自由射流原理，将有一段核心区，该核心区与纬纱加速区共同 作用，将纬纱以较高的速度送入异形筘槽。 1 2 2 主喷嘴研究现状 随着新型喷气织机的发展，车速越来越高，对引纬系统的要求也日益增高以适 应喷气织机的高速发展，虽然国外展出的喷气织机车速已达到1 9 0 0 r m i n ，但近年 有关其引纬流场的分析特别是主喷嘴的流场性能分析却鲜有报道。国外对主喷嘴 气流引纬的研究在上世纪九十年代相对相对较多，主要集中在以实验为基础的流 场测试和以流体动力学为基础的理论研究。随着计算机技术的发展，也有部分研 究人员采用计算机对主喷嘴的流场进行模拟，对其内部流场有了模糊的认识，但 大部分研究者都是采用自己编程来划分网格及数值计算，网格数量及质量均较低， 因此准确度方面不尽人意1 9 。1 酬。 上世纪9 0 年代中期为我国喷气织机技术的进步时期，对主喷嘴的研究也开始 起步，主要集中在理论分析及实验测试两个方面。祝章琛、邢喜荣等人通过理论 研究对z a 型主喷嘴进行了气流特性分析，得出了喷嘴内部气体流动的规律l 1 8 j ； 天津纺织工学院的郭兴峰则通过实验测试的方式总结了引纬气流的速度规律、供 气压力对静态纬纱牵引力的影响，并理论分析了主喷嘴内部的气流特性及能耗情 况【1 蛇1 1 。进入2 l 世纪后，由于上世纪末金融危机的对纺织行业的冲击，对主喷嘴 的研究在2 0 0 5 年以前基本停滞。之后的研究主要集中在实验测试方面，梁海顺对 几种国内外的喷嘴特性做了实验测试【2 2 1 ，得出了相关结论，王贯超、沈丹峰、陈 亚威等人分别对气流特性、引纬动力学及纬纱牵引力等方面做了测试研究1 2 3 2 5 1 。 近几年，随着计算机技术的发展，利用数值模拟方法研究主喷嘴内部流场的研究 人员越来越多，对主喷嘴内部流场的认识逐渐深刻。苏州大学的袁东栩2 6 1 、郭杰f 2 7 1 、 张科渊，西安工程大学的王贯超、梁海顺【2 9 - 3 0 1 ，东华大学的吴重敏、薛文良f 3 l 3 2 】 等人都对主喷嘴内部流场做过数值模拟的研究，并得出主喷嘴内部流场气流速度、 6 喷亡c 织机主喷嘴的局部结构优化及喷射性能分析第一章绪论 压力等参数的变化情况。 1 3 本文主要研究内容 主喷嘴是喷气织机的关键部件，而主喷嘴的工艺同样也是我国纺织机械行业中 的关键技术问题之一，其性能的好坏将直接影响喷气织机效率及织物的质量。目 前国内织机主喷嘴一方面来自进u 织机的配件，如t s u d a k u m a 、p i c a n o l 、t o y o t a 、 s o m e t 等厂家，也有一部分来自于国内一些未形成较大规模的制造商，但这些制造 商的研发水平基本处在测绘仿制国外产品的层次上，其性能远跟不上国外的发展。 虽然国内已有不少学者做过针对主喷嘴的研究，但像西安工程大学、东华大学、 浙江理工大学等研究主要集中在理论分析、实验测试及数值模拟分析，并没有提 出针对主喷嘴内部结构参数进行优化；苏州大学相关课题小组则将目光瞄准主喷 嘴的结构参数优化，并申请了江苏省“六大人才高峰”及现代丝绸国家实验室开 放课题两个项目作为支撑，进行相关研究。文献【3 3 3 5 】利用先进的流体计算软件 f l u e n t 对主喷嘴的导纱管孔径、导纱管长度、喉部面积、喷嘴芯内径、整流槽数目、 导纱管内径锥度等参数进行模拟分析，得出了在主流供气压力o 4 m p a 下的部分设 计准则。 本文将在课题组前人的基础上，选取构成主喷嘴亚音速加速区的结构参数为研 究对象，利用f l u e n t 软件继续分析主喷嘴结构参数的改变对流场的影响，寻求最 佳的主喷嘴结构参数组合；并针对前人工作中0 3 m p a 低供气压力出口速度过低、 o 5 m p a 高供气压力出口速度波动过大等问题，提出改进的方法，对国内主喷嘴性 能的改进起到很好的指导作用。 本文的主要工作及章节内容安排如下： 第一章简述喷气织机的发展概况、主喷嘴的研究现状及本课题的研究意义。针 对国内主喷嘴缺乏结构参数设计的研究现状，本文在课题组前人的基础上，选取 适当的结构参数继续进行结构优化。 第二章简要介绍气流的流动特性及主喷嘴内部流场模型的数学基础，并对数值 模拟所用的软件环境做简要的说明。建立主喷嘴内流体的实体模型，对模型的尺 寸及坐标系等进行说明，并对模型进行网格划分及边界条件的设定。 第三章利用f l u e n t 对建立好的模型进行数值计算，比较各种模型的流场情况， 分析得出在o 3 p a 、o 4 m p a 及0 5 m p a 供气压力下的最佳参数组合。 第四章针对课题组前人及本文巾o 3 m p a 及o 5 m p a 供气压力下出现的主喷嘴 7 第一章绪论 喷气织机主喷嘴的局部结构优化及喷射性能分析 出口速度问题，通过改变主喷嘴喉部面积来解决出口速度过低或者突变过大的问 题。 第五章总结本文的工作，指出本文的创新点及不足，为进一步优化主喷嘴流场 性能提出建议。 8 喷。c 织机主喷嘴的局部结构优化及喷射性能分析 第：章流场荩奉方程及数值模拟三维模型建立 第二章流场基本方程及数值模拟三维模型建立 随着流体力学的发展，射流现象被人们引用至纺织机械行业巾来，促进了新 型引纬方式一喷射引纬的发展。最常见的两种流体即空气与水被作为喷射引纬的 载体运用到无梭织机中来。喷水织机因其织造范围的限制而丧失一定的优势，喷 气引纬因其适应性广、环保节能等优势已成为喷射引纬的主流。 2 1 引纬气流的特性 喷气织机的载体是空气。空气作为一种流体，其所能承受的拉力和切力均很 小，但能承受较大的压力。当气体受到压缩时，其密度、体积压强等迅速发生变 化，并积蓄内能。释放时，气体迅速膨胀，内能释放，转为其他形式的能量，在 工程上常利用气体此性质做功，达到人类所期望的目标。如果将压缩气体引入喷 射器并释放出来，可以获得高速气流。喷气织机正是利用了压缩气体的释放做功， 在喷气织机上安装主喷嘴，将气体的内能转化气流的动能，带动纬纱飞行。 气体在流动时，如果各气体层的流速不相等，那么在两层的接触面上将会产 生一对作用与反作用摩擦力来阻碍气体层的相对运动，物理学上把这种现象称为 气体的粘性【3 6 1 。主喷嘴内的气流在其内部流动时，与喷嘴各部件的内部发生摩擦， 从而造成气流速度不同，贴近管壁的气体层的速度可以认为为零，而轴线上的速 度则为最高，因此主喷嘴内的气流流动可以看做为可压缩粘性流动。 2 2 主喷嘴内部流场的基本理论模型 2 2 1c f d 基本方程【2 3 7 】 喷气织机主喷嘴内部的气流流动可以看做可压缩粘性流动，其运动遵循三个 最基本的守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。为了使方 程组封闭，还需要加上热力学状态参数的状态方程。主喷嘴内部气流在喉部将超 音速流动，其内部流场的雷诺数可达1 0 3 ，其雷诺数远超过r e = 2 3 0 0 的层流界限， 因此在主喷嘴内部的气流性质属于紊流范围。 1 质量守恒方程 对于不可压缩气体，空气在管道内流动时，流入断面彳l 的体积等于流入流出 断面彳2 的体积。即： 9 第二章流场基本方程及数值模拟三维模型建立喷气织机主喷嘴的局部结构优化及喷射件能分析 因为q = 4 h ，q 2 = 4 屹，所以 q l = q 2 ( 2 1 ) 4 h = 4v 2 ( 2 - 2 ) 如果两断面流体的密度有变化，即可压缩，则两断面空间的质量守恒方程为： 肛4 h = 见4 吃 ( 2 3 ) 上式中q l 、q 2 为体积，p 为各断面处的气体密度，彳为各断面的面积，为断面 的平均流速。该方程为计算气体在管道内流动速度的基本方程。 2 动量守恒方程 动量守恒是流体运动时其动量的时间变化率等于作用在其上的外力的总和。 动量守恒方程又称运动方程或者n s 方程，其表达式如下： ( 2 4 ) 式中：吃、瓦分别为单位质量流体上的质量力在三个方向的分力；是流 体内应力张量的分量。 3 能量守恒定律 流体在管内流动时也遵循总能量守恒的平衡方程，即伯努利方程，该方程提 出了流速与压强的关系，揭示了动能和势能、流速与压强相互转换的规律，是主 喷嘴获得高速射流的理论依据。 等+ z i 噶。争+ 乙噶= 常数 ( 2 - 5 ) 厂 1 2 9 y 2 9 、7 式中：p 为各断面的气流压力，v 为各断面的气流速度，对于空气y = 1 1 8 n m 3 ，旦 为各断面的压能，z 为势能，芝为动能。 4 气体状态方程 l o 魄i i 魄i 丝砂鲤砂一砂 饥i i 钆i r p 哩 屹 矗 峨 以 呜 比 i i = = 妇一出如一出咖一出 d d d 喷2c 织机主喷嘴的局部结构优化及喷射性能分析第- 章流场摹本方程及数值模拟三维模型建也 p = p 尺丁( 2 6 ) 式中：p 为压力，p 为密度，丁为温度，r 为气体常量。 上述方程为f l u e n t 求解流体模型建立了数学基础。 2 2 2 初始条件及边界条件 对于数值计算，初始条件给定并不影响计算过程的实施，只是会对模型的收 敛速度及收敛状态有所影响。 对于流体，涉及的边界条件主要有以下几种，压力入口、速度入口、压力出 口、速度出口、压力远场、壁面等，这几种边界条件在f l u e n t 中均可设置。 2 3 数值模拟的软件环境 f l u e n t 软件是目前国际上比较流行的商用c f d 软件包，在美国的市场占有率 为6 0 ，其求解器具有丰富的物理模型、先进的数值方法及强大的后处理功能。 可以用来模拟不可压缩到高度压缩范围内的复杂流动，湍流、传热与相变、化学 反应与燃烧、多相流、动网格等方面有广泛的应用。f l u e n t 能够解决的工程问题包 括以下几个方面3 8 1 ： 1 可压缩与不可压缩流动问题。 2 稳态和瞬态流问题。 3 无粘流、层流及湍流问题。 4 多相流问题。 5 化学反应问题。 6 热辐射。 g a l b i t 是f l u e n t 软件包的前处理器，可以用于建模、网格的生成及边界条件 的设置。本文中喷气织机主喷嘴的流场模型采用三维模型，在g a n l b i t 中建模及网 格划分比较复杂，因此本文仪用该前处理器进行计算分析前网格边界条件的设置。 实体建模及网格划分的方法将在后两节介绍。 喷气织机主喷嘴内的气流可看做可压缩粘性湍流动，用f l u e n t 软件可以很好 地模拟出其内部流场情况，文献 3 3 3 5 】验证了利用f l u e n t 对主喷嘴内部流场模拟 的可行性，本文不再重述。主喷嘴的计算模型选取基于密度的隐式求解器，该求 解器可用于高速可压缩流动，并且收敛性比较好；针对粘性湍流流动，本文选取 粘性模型中使用最广泛的r n gk 一占模型，主喷嘴流场模型在f l u e n t 中的具体设置 第二章流场基本方程及数值模拟三维模型建立 喷气织机主喷嘴的局部结构优化及喷射性能分析 在文献【3 3 、3 4 】已有详细的介绍，本文不再重述。 2 4 主喷嘴内部流场模型 图2 1 为用于津田驹喷气织机的h t s l 1 c 型主喷嘴的实体零件图及主喷嘴喷 嘴芯与锥形套的组合。 图2 1 主喷嘴实体零件图及喷嘴芯与锥形套组合图 对于管道流体进行数值模拟的时候是将流体看做实体，本文用三维软件p r o e 建立主喷嘴内气流的三维模型。结合课题组前人已做的工作，以h t s l 1 c 型主喷 嘴为模型参考，本文建模的主喷嘴各主要组成参数如下：导纱管孔径3 l m l l ，长度 1 1 0 m m ，整流槽数目8 ，喉部面积4 2 i l u l l 2 ，喷嘴芯内径1 5 m m ，锥形套总长6 m m 。 为了建模方便，本文的参考坐标系是图2 2 中所示的x 回坐标系，其x 方向起点为 喷嘴芯曲面的起点。 图2 2 本文建模坐标系 主喷嘴在结构上是对称的，因此p r o e 建模只需建立一半的流体实体，而在 f l u e n t 数值模拟巾设置对称的边界条件即可，这样可以省去一半的网格数量，提高 求解速度，节省时间。在压缩气流入口、纬纱入口及导纱管出口处，应作适当的 1 2 径 喷鼻c 织机主喷嘴的局部结构优化及喷射性能分析 第j ：章流场基奉方程及数值模拟三维模型建立 流场远场延长，使其与实际情况接近。 2 5 网格划分【3 9 】 网格是计算流体力学模型模拟与分析的载体。网格数量少，计算耗时会少， 但是计算精度低，且不容易收敛；网格数量过多，对计算机的要求高，且耗时时 间长。因此严格控制网格的数量及质量对于提高计算精度和计算效率有直接的影 响。刚接触网格划分的人员往往很难把握网格数量，需要进行大量的练习后才会 对模型网格数量有一个比较好的认识。对于复杂的流体分析，网格的划分及生成 十分复杂，并且容易出错，网格划分的时间往往多与模型求解的时间，一般来说 大部分的分析工程师8 0 的时间都花在了网格模型的划分与修改上。 f l u e n t 自带的前处理软件g 锄b i t 对于复杂模型的网格划分的功能不是很强大， 因此本文选用专门的网格划分软件h y p e n n e s h 进行主喷嘴内部流场模型的网格划 分。 h y p e 珊e s h 软件是美国a l t a i r 公司的产品，是一个高性