（机械设计及理论专业论文）基于cfd的喷气织机主喷嘴气流场分析及局部结构参数优化.pdf

。 工ll 苏州大学学位论文使用授权声明 1 1 1 1 11 1i l ll lll l ll u l y 17 3 2 8 9 6 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l 月解密后适用本规定。 非涉密论文囱 论文作者签名： 么：型 日 导师签名： 期：上。步：算o 士= r i明f 1 月 本论文课题由项目基金：江苏省“六大人才高峰 、现代丝绸国家 工程实验室开放课题资助。 基于c f d 的喷气织机主喷嘴气流场分析及局部结构参数优化 摘要 摘要 本文在总结国内外研究的基础上，使用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 e s ) 理 论对喷气织机主喷嘴引纬流场进行三维分析，对四种供气压力下、导纱管直径不 同的主喷嘴流场模型进行相应的数值模拟，得出导纱管直径成一定比例有利于引 纬的结论。本论文由以下几方面研究构成。 首先，介绍了本课题的研究背景，其次介绍了主喷嘴在喷气织机中的作用， 并对主喷嘴的结构和工作过程进行详细说明，之后介绍了主喷嘴所使用的气流的 特性。 随后，在主喷嘴结构的基础上，建立其三维模型，并根据工况中的主喷嘴反 推并建立了其内部流场模型，随后使用h y p e r m e s h 对流场模型进行网格划分，并对 网格化模型设定边界条件。 在论文中间介绍了进行数值模拟时所需要的数值模拟方程和计算流体动力 学，并对数值模拟软件f l u e n t 与其使用过程进行相关说明，设定了进行数值模拟 前所需要的相关参数。 论文在第四章对流场模型数值模拟结果进行分组分析。在导纱管一定的情况 下分别对流场模型的速度、马赫数、压力、密度进行了分组分析，得出了具体情 况下的最优结果。在供气压力一定的情况下，对流场模型的参数进行分析。最后 从全局上得出了最优的压力与导纱管直径比组合。 最后，得到的参数最优的组合与课题组前期工作进行对比。通过流场模型的 速度、马赫数、压力、密度进行对比分析，得出了改变导纱管参数的流场模型参 数优于课题组前期模型的参数。 在第六章，总结全文所做工作，展望主喷嘴以后的研究方向。 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：张科 指导教师：冯志华 a b s t r a c t b a s e d o b c f d a n a l y s i s o f w e f t i n s e r t i o n f l o w o f m a i n n o z z l e i n a n a i r j e t l o o ma n d o p t i m i z a t i o n o f l o c a ls t r u c t u r e p a r a m e t e r a n a l y s i so f w e f ti n s e r t i o nf l o wo ft h em a i nn o z z l ei na n a i rj e tl o o mb a s e do nc f da n dt h eo p t i m i z a t i o no f l o c a ls t r u c t u r ep a r a m e t e r a b s t r a c t t h ew h o l e3 一dw e f ti 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 ss t i m u l a t e d a n da n a l y z e db yu s i n gt h ec 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 ) t h e o r yi n t h i s d i s s e r t a t i o n a f t e rt h es t i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h ew h o l e3 一dw e f ti n s e r t i o nf l o wo f m a i nn o z z l eo faa i r - j e tl o o mw i t hd i f f e r e n td i a m e t e rr a t i oo ft h ey a mg u i d ep i p eu n d e r f o u rk i n d so fg a sp r e s s u r e ，c o n c l u s i o nh a sb e e nm a d et h a tw i t l ld i f f e r e n td i a m e t e rr a t i o o ft h ey a mg u i d ep i p ei sg o o df o rm a i nn o z z l e sw e f ti n s e r t i o nf l o w t h i sd i s s e r t a t i o ni sc o n s i s t e do fs o m er e s e a r c h e sa sg i v e nb e l l o w ： f i r s to fa l l ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，f u n c t i o n ，s t r u c t u r e ，w o r kp r o c e s sd e t a i l so f t h em a i nn o z z l ei na na i r - j e tl o o ma n dt h ef e a t u r e so ff l o wu s e di nt h em a i nn o z z l ea r e i n t r o d u c e d s u b s e q u e n t l y ，o nt h eb a s eo ft h em a i nn o z z l e ss t r u c t u r e ，t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ew o r kc o n d i t i o no ft h em a i nn o z z l e ，i n t e r n a lf l o wf i e l d m o d e li sb u i l tu p ，t h e nt h em o d e li sm e s h e db yh y p e r m e s h ，a n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s o ft h eg i l d e dm o d e la r es e t t e du p i nt h em i d d l eo ft h ed i s s e r t a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o ne q u a t i o na n dt h et h e o r yo f c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) a r ei n t r o d u c e d ，w h i c ha r er e q u i r e dd u r i n gt h e c a l c u l a t i o n t h e ns o f t w a r ef l u e n t ，u s i n gi n s t r u c t i o n sa n dt h er e l e v a n tp a r a m e t e r s s e t t i n go ff l u e n ta r ei n t r o d u c e d i nt h ef o u r t h c h a p t e r , a f t e rt h es p e e d ，m a c hn u m b e r , p r e s s u r e ，d e n s i t y o ft h e n u m e r i c a ls t i m u l a t e dm o d e l sa r ea n a l y z e d ，a no p t i m a lr e s u l t so fs p e c i f i cc a s e si s o b t a i n e d f r o mt h eo v e r - a l ls i t u a t i o n ，ac o n c l u s i o ni sf o r m e dt h a ta no p t i m a l c o m b i n a t i o no ft h eg a sp r e s s u r ea n dt h ey a mg u i d ep i p e sd i a m e t e rr a t i oi sb e s t i nt h ef i f t hc h a p t e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e l s b e s tr e s u l to ft h i sd i s s e r t a t i o ni s h b a s e do i ic f d a 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 na na i rj e tl o o ma n do p t i m i z a t i o no f l o c a ls t n l c t u r ch m 型坚垒垒壁! ! c t c o m p a r e dw i t i lf o r m e r so ft h es t u d yg r o u p b yc o m p a r i n ga n da n a l y s i n gs p e e d ，m a t h n u m b e r , p r e s s u r e ，d e n s i t y , c o n c l u s i o nh a sb e e ng o tt h a tm a i nn o z z l e 、v i t i ld i f f e r e n t d i a m e t e rr a t i oo ft h ey a r ng u i d ep i p ei sb e t t e rt h a nf o r m e r so ft h es t u d yg r o u p i nt h el a s tc h a p t e r , t h ed i s s e r t a t i o n sc o n c l u t i o nh a sb e e nm a d ea n da l s ot h i s d i s s e r t a t i o nl o o k si n t ot h ef u t u r eo fm a i nn o z z l e sr e s e a r c hd i r e c t i o n k 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 ；w e f ti n s e r t i o n ；3 - df l o w ；f l u e n t ；h y p e r m e s h i l l w r i t t e nb yz h a n gk e s u p e r v i s e db yz h i h u af e n g t f 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景l 1 2 喷气织机主喷嘴简介3 1 2 1 喷气织机主喷嘴的作用3 1 2 2 喷气织机主喷嘴的结构及工作过程4 1 3 引纬所用气流的特性“5 1 3 1 空气流动的一般特征5 1 3 1 1 空气的压缩性和膨胀性5 1 3 1 2 空气的流动性和粘性6 1 3 2 空气紊流的特征6 1 3 3 形筘式喷气织机引纬气流参数6 1 4 研究的意义7 第二章模型建立及网格划分9 2 1 建立三维模型9 2 2 流场模型的网格化1 l j 2 2 1 网格划分软件h y p e r m e s h 简介1 1 2 2 2 网格类型一1 2 2 3 模型的网格化l3 2 4 导入g a m b i t 进行边界设定1 4 2 4 1g a m b i t 简介1 4 2 4 2 网格化流场模型导入g a m b i t 进行设定1 5 2 5 本章小结15 第三章数值模拟方程及f l u e n t 软件1 7 3 1 数值模拟方程“1 7 3 1 1 控制方程1 7 3 1 2 湍流方程“18 3 1 3 湍流模型2 1 3 2 计算流体动力学简介2 2 3 3 数值模拟软件f l u e n t 2 3 3 3 1 f l u e n t 简介2 3 3 2 2 f l u e n t 适用求解的问题2 3 3 2 3 f l u e n t 求解方法的选择2 4 3 2 4 数值模拟进行步骤2 4 3 4 导入己设定边界条件的网格化流场模型2 5 3 4 1 导入网格化模型2 6 3 4 2 工作压力设置2 7 3 4 3 粘性模型设置2 8 3 4 4 材料的选择- 2 8 3 4 5 边界条件设置2 8 3 4 5 1 压缩空气的压力入口设置2 8 3 4 5 2 外界大气的压力入口条件设置3 0 3 4 。5 3 压力出口边界设置3 l 3 5 迭代精度设置与收敛3 2 3 6 本章小结3 3 第四章主喷嘴导纱管参数对主喷嘴性能的影响3 4 4 1 分析主喷嘴对纬纱加速有影响的性能参数3 4 4 2 衡量标准3 4 4 3 新的模型一3 6 4 4 数值分析3 7 4 4 1 定导纱管改变供气压力一3 8 4 4 1 1 a 型导纱管，改变供气压力3 8 4 4 1 2 b 型导纱管，改变供气压力4 2 4 4 1 3 c 型导纱管，改变供气压力4 5 4 4 1 4 d 型导纱管，改变供气压力5 4 4 4 2 定供气压力改变导纱管参数5 8 4 4 2 1 供气压力为0 2 m p a ，改变导纱管5 8 4 4 2 2 供气压力为0 3 m p a ，改变导纱管一6 l 4 4 2 3 供气压力为0 4 m p a ，改变导纱管一6 4 4 4 2 4 供气压力为0 5 m p a ，改变导纱管6 8 4 5 本章小结7 l 第五章对比分析7 2 5 1 速度曲线图比较”7 2 5 2 压力数值图对照7 3 5 3 本章小结7 5 第六章总结与展望7 7 6 1 结论7 7 6 2 本文创新点7 7 6 3 进一步的工作建议7 8 参考文献8 0 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文8 3 致 射8 4 基于c f d 的喷气织机主喷嘴气流场分析及局部结构参数优化第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 世界上采用无梭织机生产各种纺织品已经有五十多年的历史，中国使用无梭 织机也已二十多年时间了。近几十年来无梭织机的技术进步是巨大的，纺织机械 自动化、电子化的程度得到了极大的提高，最大限度提高了无梭织机的产质量及 劳动生产率，使其制造成本降低，并且作为无梭织机代表的喷气织机得到了长远 的的发展。 无梭织机顾名思义是没有传统梭子引纬的织机。喷射织机借助于有压力的水 或压缩空气来引纬，可以说是真正的无梭织机。至于剑杆和片梭织机只是利用剑 杆的夹纱器和片梭夹纱器来引纬，严格的说，不是真正的无梭织机。剑杆、片梭、 喷水织机从2 0 世纪5 0 年代已经在生产上应用，此时捷克人发明了喷气织机，那 时的喷气织机幅度很窄，布的质量不稳定，很少能在生产上实际应用。1 9 7 5 年意 大利米兰国际纺织机械博览会展出了瑞士r u t i 公司的主喷嘴、辅助喷嘴与异形筘 相结合的喷气织机( 筘幅为1 9 0c m ) ，当时捷克i n v e s t a 公司的管导片与标准筘 相结合的喷气织机的技术已经成熟了，日本津田驹公司买了r u t i 公司的专利技术 开始生产喷气织机。与此同时日本的日产和丰田公司也买了捷克的技术专利，开 始生产管导片式喷气织机，这两种喷气织机同时并存了十五年左右。约在1 9 9 0 年， 日本先后有两家公司停止生产管导片式喷气织机，改为生产主、辅喷嘴与异形筘 相结合的喷气织机，当时捷克已经解体，也停止生产管导片式的喷气织机，至此 管导片式喷气织机已成为历史。 近十几年来片梭、剑杆、喷水引纬似乎没有什么重大改进，剑杆织机只是把 剑杆形状尺寸尽量做小、做轻以提高引剑速度，增加入纬率，但是这方面很有限， 即剑杆织机的生产速度和入纬率仍停留在十年前的水平。喷气织机引纬在扩大品 种适应性方面进行了有效的工作，并获得成功。今日的喷气织机不仅能生产高支、 高密棉或棉化纤混纺的短纤维织物，还能织纯化纤长丝织物、弹力织物、毛巾、 商标、色织布等。至今喷气织机由于适应性的扩大而显示出其强大的生命力，不 愧是织机更新改造的主力军n 1 。 我国高档无梭织机到目前为止仍以进口为主，几乎9 5 以上的高档无梭织机 是从国外进口的。剑杆织机主要来自意大利s o m e t 、瑞士s u l z e r 、比利时 第一章绪论基于c f d 的喷气织机主喷嘴气流场分析及局部结构参数优化 p i c a n o l 、德国d o r n i e r 等厂商，喷气织机则来自只本津田驹、丰田，比利时 p i c a n o l ，意大s o m e t ，瑞士s u l z e r ，德国d o r n i e r 等厂商；片梭织机则来 自瑞士s u i z e r 一家喷水织机则来自日本的同产和津田驹，中国台湾引春、迎春， 韩国的几家厂商。近十年机种份额发生很大变化，9 0 年代初期喷气织机占多数1 2 j ， 其次是喷水织机，再次是剑杆，排在最后的是片梭织机。现今喷气仍排第一，其 次为剑杆织机，喷水不仅降到第三位且数量锐减，至于片梭织机几乎很少进口。 近几年我国从国外进口的高档无梭织机年平均为5 0 0 0 台左右，其中喷气织机约占 5 0 - - 一6 0 ，剑杆约占3 0 - - - - 4 0 ，喷水约占5 10 。 国外喷气织机的车速最高可达1 9 0 0 r m i n ( 如津罔驹公司z a x 9 1 0 0 ) ，工作速 度一般在12 0 0 r m i n 左右。国产喷气织机车速普遍提高，喷气织机一般都在7 0 0 - - 一 8 0 0 r m i n 左右，最高可达1 0 5 0 r m i n ，与国外相比，尚有一定的差距，但却表明了 国产喷气织机在对机架、打纬系统、引纬系统等方面的设计技术和整机的加工、 安装水平有了较大的提高，振动和噪音有了较大的降低，也说明国产喷气织机还 有提高车速的潜力。国外喷气织机的筘幅最宽可达5 4 m 。国产喷气织机筘幅达3 4 m 以上的不多，与国外还存在一定的差距。国外常规喷气织机的机械入纬率在 2 5 0 0 m m i n 左右，最高可达3 0 0 0 m m i n 以上。随着筘幅和车速的提高，国产喷气 织机入纬率也普遍提高，入纬率接近或达到2 0 0 0 m m i n 的不多，但很多还低于 1 5 0 0 m m i n ，这说明国内喷气织机制造厂家的技术水平参差不齐，差距较大口1 。 国内与国外的技术差距，在一定程度上主要受到主喷嘴研究的限制。高的车 速需要主喷嘴也有相应地较高工作效率，因为气流引纬的关键技术在于，如何让 纬纱更快的加速、更高的速度速飞行，而主喷嘴的作用就是对纬纱进行吸入、加 速，从而使纬纱以高速飞进梭口，进而完成织造过程。完成引纬的时问越短则提 高车速的空间越大。为此要提高车速，当务之急就是要加强对主喷嘴性能的研究。 当前，国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盼1 。 目前，对流体力学问题的研究方式通常有三种方法：实验研究，包括风洞 吹风和试验台测试等；理论分析研究；数字模拟研究。计算流体力学( c f d ) 是 2 基于c f d 的喷气织机主喷嘴气流场分析及局部结构参数优化 第一章绪论 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模拟、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部结构形状的优化设计提供指 导。 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 三维数值模拟方式基于n u m e c a 软件的c f d 方法分析主喷嘴流场。文献 6 以三 维数值模拟方式基于f l u e n t 喷气织机主喷嘴气流引纬数值模拟分析。但整体研究 基础并不厚实。 本文在课题组前期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消耗的人力、物力和时间。 1 2 喷气织机主喷嘴简介 在喷气织机的气流引纬过程中，纬纱在主喷嘴纬纱入口区域的受到负压的作 用，随着空气流进主喷嘴内部，此时纬纱从静止状态下启动，以微弱的速度被吸 进主喷嘴导纱管，并在其导纱管区域( 加速区) 受到速度更大的高压气流作用，速度 急速增大，达到一定速度之后飞出导纱管，被送进由辅喷嘴及筘槽构成的接力气 流场中，飞越梭口之后即完成与经纱的交织，随即打纬，完成整个织造过程。由 此可以看出来，在整个织造过程中，主喷嘴在喷气织机的引纬过程中起着决定性 的作用盯_ 引。 1 2 1 喷气织机主喷嘴的作用 在异形筘式的喷气织机上，引纬的工作由主喷嘴和几十个辅助喷嘴共同完成 的。但在引纬过程中，主喷嘴的主要作用是对进入主喷嘴的高压小流量气流进行 整流、调制、加速，并在纬纱入口区域形成负压吸入纬纱，在随后的导纱管中对 纬纱进行充分作用，使其加速至与车速和引纬时问相适应的飞行速度。在导纱管 出口区域受到主喷嘴流场的圆射流的保护作用，飞向正确的方向，并且主喷嘴流 第一章绪论 基于c f d 的喷气织机主喷嘴气流场分析及局部结构参数优化 场的圆射流在与辅助喷嘴气流的合成中起到主导作用。根据以上叙述可以把主喷 嘴的作用归纳如下： 1 将进入主喷嘴的高压小流量的压缩空气，按照工艺的要求进行调制、加速。 2 形成负压区域，将纬纱吸入进主喷嘴内。 3 对已经吸入的纬纱进行加速，使其达到所需要的飞行速度。 4 将纬纱输送至异形筘槽内，并确定纬纱在异形筘槽内的正确位置。 5 纬纱飞行角取决主喷嘴气流速度的大小和喷射的时间长短。 1 2 2 喷气织机主喷嘴的结构及工作过程 图1 1 为z a 系列喷气织机主喷嘴的结构示意图。 9 1 0 i2345 678 、jj |， 蚴、叱l f f a 。、v 八 、， 1 1 ，一j j 、i m 八 a 8 cd 图1 1z a 系列喷气织机主喷嘴结构示意图 a 喷嘴芯 b 一喷嘴体 啡形块 嘴纱管l 一压力气流入口 2 - 环形气室 3 整流槽4 _ _ 力口速区5 跨音速加速区仁气流出口( 喷嘴芯出口处) 7 一纬纱引射区卜纬纱加速区( 导纱管区域) 9 _ 一纬纱入口处 l 旺纬纱入口区域 z a 喷气织机主喷嘴由喷嘴体、喷嘴芯、锥形块和导纱管四部分组成，高压气 流在四者装配的空隙间，从喷嘴体上的入口进入，由导纱管出口流出。高压气流 从l 一压力气流入口流入，然后在2 一环形气室环绕，形成雷诺数很高的紊流，在 进气压力下气流进入3 一整流槽，通过3 的整流作用，雷诺数很高的紊流变成低雷 诺数的层流，随即进入4 一加速区气流经过压缩，其密度变大、压力变大、速度变 大，随后的5 一跨音速加速区由于截面积逐渐增大，气流压力减小，而流速变大， 其数值甚至超过1 马赫。高速气流通过6 _ 气流出口( 喷嘴芯出口处) 时，其压力 数值已经低于一个标准大气压下，也即在此处形成个负压区域( 可对照第四章 的压力图4 5 ) 。在负压的所用下，外界大气通过卜纬纱入口处被吸入，并在6 一 气流出口( 喷嘴芯出口处) 与经过加速的高速气流混合，这两种气流的混合导致 了流速的急剧下降( 可对照第四章的速度图4 3 和马赫数图4 4 ) ，混合完毕气流速 度急剧上升，随即进入d 一导纱管，并在其中气流的速度值有一定的增大。高速 4 基于c f d 的喷气织机主喷嘴气流场分析及局部结构参数优化第一章绪论 气流在经过d 一导纱管后，喷射而出，在外界形成一个圆射流，随着距离的增大， 圆射流的速度迅速衰减。 以上就是主喷嘴结构和气流在主喷嘴中的运动和加速过程。纬纱的吸入和加 速分别在1 卜纬纱入口区域和8 一纬纱加速区( 导纱管区域) 实现。 1 3 引纬所用气流的特性0 9 , 1 0 本文所研究的喷气织机主喷嘴工作时，在进气口采用高压压缩空气，因此很 有必要对其所使用的空气进行物理性能说明。以下就空气的一般特性和紊流特性 就行说明。 1 3 1 空气流动的一般特征 空气是一种流体，其承受拉应力和切应力的能力很小。由于其剪切应力特性， 空气流体受到微小的切应力就会产生变形或流动。但在密封状态下，空气能承受 较大的压力，因此在工程实际应用中常利用空气此特性，例如在气钉枪就是利用 压缩空气进行工作的。将空气进行压缩时，其物理体积缩小，压力及密度得到相 应的增加，内能由于外界做功的作用而增大。压缩空气释放时，其体积迅速膨胀， 体积变大导致了压强、密度的减小，但气体速度变大，并对外界做功，进而其内 能减小。此种由压缩状态进行释放导致气体的内能转化为动能( 速度) 并对外界 进行做功的特性，对于利用压缩空气释放从而获得较高的气流速度，在众多工程 实际中有广泛的作用。在喷气织机中就是利用压缩空气的这种特性。压缩空气经 过调制之后，能获得较高的气流速度，高速气流带动纬纱进行加速，从而完成喷 气织机织造过程的引纬工作。 1 3 1 1 空气的压缩性和膨胀性 气体的压缩性是当气体被压缩时，压力变化而引起体积减小、密度变大、内 能变大的特性。气体的膨胀性是指气体存在空间变大，导致空气膨胀，引起压力 降低、体积增大、密度减小、内能减小。 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的特性。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，当总能量 不变；降低的内能使空气形成高速气流束，高速气流束牵引着纬纱飞入到梭口中， 从而完成引纬全过程。 5 第一章绪论基于c f d 的喷气织机主喷嘴气流场分析及局部结构参数优化 1 3 1 2 空气的流动性和粘性 流体具有抵抗其微团之间相对运动( 剪切变形) 的性质称为粘性。把抵抗流 体微团相对运动的这种阻力称为粘性力，单位面积上的粘性力主要变现为剪应力， 即前文所说的切向应力。空气的粘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，可以不计其粘性的变化。 1 3 2 空气紊流的特征 研究和介绍湍流要从英国物理学家雷诺( r e y n o l d s ) 开始，是他首先发现并分辨 出层流和紊流这两类完全不同性质的流动特性，从而促进了流动稳定性和湍流的 发展。雷诺把这两种性质不同的状态流体运动，分为层流与紊流，紊流又叫湍流。 层流是指管截面上任一位置的每个流体质点都沿着一条平行于轴线的直线匀 速运动，质点速度大小随着离开中心线的距离而变化，符合h a g e n p o i s e u i l l e 管流 速度分布洲瓢= 1 ( r a ) 2 ( 默是管中心线上的最大速度) 这种流动状态称为层流。 紊流指管流内流体质点在空间和时间上高度无规则地运动着，发生强烈的速 度脉动和动量混合的流动状态。 自雷诺等人发现流体有层流和紊流之分后，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= _ _ 的流体) 而言，层流和紊流的临界 d 都c 1 1 ， 雷诺数约为2 3 0 0 ，体现如下【4 3 】： 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来表示。 喷气织机在引纬过程中，主喷嘴引纬采用高速射流进行引纬。经空气压缩机 加压空气成为具有一定压力的压缩气体，经管道片引入喷气织机的喷嘴，形成雷 诺数可高达1 0 6 1 0 8 左右的射流，圆射流在管道片或筘槽引导下流动，流动状态 属于湍流流动。而在织造过程中，纬纱飞行的平稳性对于织造物的产品质量是相 当重要的，因此，主喷嘴内部喷气引纬时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，对于流场中湍流( 旋涡) 的出现有一定的减小作用。 1 3 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 6 基于c f d 的喷气织机主喷嘴气流场分析及局部结构参数优化第一章绪论 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 = ( 2 0 5 o ) 1 0 5 p 。； 气流速度v = 1 5 0 3 0 0 m s ； 气流雷诺数r e = 1 0 8 ； 纬纱飞行速度v = 4 5 1 3 0 m s 。 基于上面的引纬气流参数和纬纱飞行速度可知，引纬气流的其雷诺数值远超 过r e = 2 3 0 0 层流界线，因此，可以把喷气引纬所用气流归属于低压力、亚音速的 紊流范围。由于在主喷嘴的使用中，空气的能耗较大，因此未来喷气织机的主喷 嘴发展方向为低压力、小流量、亚音速。 1 4 研究的意义 喷气织机区别以往的有梭织机，不仅仅在织造物的品质有所提高，生产率有 了更大的提高。但在喷气织机刚刚出现的时候，喷气织机从诞生起就受到了广泛 的关注，但由于当时的科技水平较落后，无论在设计上，还是在制造精度上，都 达不到要求，导致气流引纬时流场内部不稳定，对处在其中进行加速的纬纱平稳 性非常不利，因而在实际中其应用受到了很大限制。随着技术的进步，设计上的 改进，制造精度的提高，近3 0 年喷气织机才真正地大规模投入使用。但是喷气织 机利用高于大气压数倍的压缩空气进行引纬，且主喷嘴内部结构较为复杂，虽然 已有多年的深入研究，但相关的纬线的摩擦系数、主喷嘴的结构与内管壁加工精 度等因素，对引纬流场极易产生不良影响。因此在一段时间内，在此基础上进行 的实验与理想状态下理论算法的结果出入较大，因而理论上的研究对实际生产的 指导作用不是很大。 随着设计、制造、装配等技术的发展，数值模拟结果与理论上的研究差距减 小。从事主喷嘴的相关理论研究也越来越多样化，结果也越来越接近实验结果。 目前国内对主喷嘴的研究，主要集中在主喷嘴出口气流、喷射距离与气压关系、 主喷嘴的流场、喷气织机喷嘴及喷射器刘特性、基于l a b v i e w 的喷气织机气流压力 测试系统、基于n u m e c e 技术的喷气织机主喷嘴内部流场数值模拟的研究。从外围 的气体流场进行分析，逐渐过渡到使用流体软件对主喷嘴内部流场进行分析。如 梁海顺，杨昆，王冠超，高超，陈赞采用的基于n u m e c e 技术的喷气织机主喷嘴内 部流场数值模拟；郭杰的喷气织机主喷嘴气流引纬三维数值模拟分析等。与实际 7 第一章绪论基于c f d 的喷气织机主喷嘴气流场分析及局部结构参数优化 情况进行比较，较为真实的模拟出主喷嘴的内部流场。 如今，国内针对喷气织机气流引纬的研究【1 1 2 3 1 ，主要集中在三方面： 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。 在工况中，特别是辅喷嘴进行接力引纬时，其能耗过大，在整个引纬系统中， 占据很大一部分，因而对辅助喷嘴接力气流引纬的研究要多于主喷嘴引纬气流的 研究。但是主喷嘴在因为过程中极其重要，并在与辅喷嘴合成气流时起指导作用。 主喷嘴的研究，主要集中在理论方面，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。 喷气织机逐渐成熟起的主要原因是，以往有大量的人员从事喷气织机的研究， 但随着制造业格局的变化，新兴产业的崛起，从上世纪九十年代后期，从事喷气 织机相关研究的人员逐渐减少。计算机行业的迅猛发展，以流体动力学为根据的， 从数值方面的研究不断兴起。但在对主喷嘴的数值研究初期，无论是计算中所使 用的软件，还是计算机的计算效率，都不能有力的支持其研究。虽然在这个过程 中，从数值计算方面对主喷嘴工作过程中的流场有了一定了解，但是还存在相当 大的差距，整体上略显浅薄【2 4 引】。时代不断向前发展，人们对技术的要求也是不 断提高的。 随着喷气织机织造速度的不断增加，相应的就必须提高喷气织机的纬纱飞行 速度，从而满足织造速度的不断地增加。在纬纱飞行速度上，主喷嘴起主导作用， 因此就必须对主喷嘴的内部流场进行研究。鉴于此对喷气织机主喷嘴流场的研究 有着非常重要的意义。 本文在课题组前期研究的基础上，特别是在文献 4 】运用f l u e n t 对喷气织机主 喷嘴气流引纬流场进行二维分析、文献【6 运用f l u e n t 对喷气织机主喷嘴气流引纬 流场进行三维分析的基础上，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 ) 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，建立了极为贴切实物的 模型，在不同气压下，通过改变对流场有很大影响的导纱管参数进行研究。采取 横向比较和纵向比较的方法，对流场速度、气压的分御有了更清晰的深入了解， 并在改变导纱管参数的基础上，得到了具有意义显著结论，对于引纬流场的改进 有极大帮助。得出了在何种气压下采取何种导纱管参数最有利于引纬，这对于为 获得较好的性能参数而进行主喷嘴结构上的重新设计有一定的指导意义。 8 基于c f d 的喷气织机主喷嘴气流场分析及局部结构参数优化第二章模型建立及网格划分 第二章模型建立及网格划分 本章将介绍主喷嘴实物、建立主喷嘴三维模型的过程、并导出主喷嘴流场模 型，以及划分主喷嘴流场网格和设定边界条件，为下一步进行数值计算做必要的 准备工作。 2 1 建立三维模型 如图2 1 为组成主喷嘴的零件，分别是锥形块、喷嘴芯、喷嘴体和导纱管。锥 形块与主喷嘴芯的组合见图2 2 ，实际中喷嘴芯与锥形块的组合如图2 2 所示。 锥形块喷嘴芯喷嘴体导纱管 图2 1 主喷嘴零件图 图2 2 锥形块与主喷嘴芯组合 以下分别介绍锥形块、喷嘴芯、喷嘴体和导纱管的功用。 喷嘴芯的作用：由喷嘴体进入的气流形成环流，接着对紊流状态的环流进行 整流，然后进入曲面部分，配合锥形块对气流进行加速。 锥形块的作用：约束从整流过的气流，配合喷嘴芯曲面对气流进行加速。 喷嘴体的作用：导入压缩气体，固定锥形块与主喷嘴芯组合，并使其与导纱 管紧密结合。 导纱管的作用：约束高速气流，并在压力下使其速度不断增大，以达到使处 在其中的纬纱获得较高的速度。 图2 3 主喷嘴实物 9 量荔拳一函 第二章模型建立及网格划分基于c f d 的喷气织机主喷嘴气流场分析及局部结构参数优化 其中主喷嘴导纱管参数如下：主喷嘴导纱管的长度为1 4 0 m m ，管径3 3 m m 。 如图2 3 所 图2 4 示为一个完整的主喷嘴 所示为主喷嘴芯近图。图中主喷嘴芯为曲面，课题组前期文献 4 所 模型采用圆弧面近似代替曲面，建立的流场模型因此就较粗糙。本文为了更 做的 加真 实的反映出真实曲面，采取仪器对曲面点数据进行采集，编写曲面点数据的i b l 文 件，然后通过i b l 文件导入p r o e 中建立曲面，以达到尽量贴近真实曲面的目的。 i b l 文件内容如图2 5 图所示。 整流槽曲面 ， 锄糍瀚渺 ，“。一，m ”9 “一g 一 一。p ?+ 。形馁糍幺氇裁? 毒。i 黪；貉：学罗警彬麓鳓绥 图2 4 主喷嘴芯近图 文件通过记事本打开、编辑，其中输入的数据点为三维空间坐标。详细见 图2 5 所示。 删罐28 融鞯扎。绷 文件理，缡话辽j 萜式役j 受看噬i 研助晓j o p e n j r d e n 蛳 d e 口玑s e ( 口on f b e 口hf u r # e l l03 s 0 8 0 0 0 80 20 1 6 3 8 0 6 5 5 23 ，3 1 2 1 酗5 8 10 30 3 2 7 6 1 3 1 0 43 1 3 3 9 7 0 1 9 80 40 4 9 1 4 1 9 6 5 62 9 0 4 0 4 0 5 5 70 so 6 5 5 2 2 6 2 0 82 8 4 l11 4 3 4 80 60 8 】9 0 3 2 7 6 02 7 1 4 3 2 1 2 5 90 70 9 8 2 8 3 9 3 1 22 j 9 3 9 1 6