（机械设计及理论专业论文）喷气织机辅助喷嘴流场分析及结构参数优化.pdf

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l i a r yn o z z l ei na l la i r - j e tl o o m a n dt h eo p t i m i z a t i o no fs t r u c t u r ep a r a m e t e r s f l o wf i e l da n a l y s i so ft h ea u x i l i a r yn o z z l ei na na i r - j e t l o o ma n dt h eo p t i m i z a t i o no fs t r u c t u r ep a r a m e t e r s a b s t r a c t a sak e yc o m p o n e n to fa na i r - j e t l o o m ，a u x i l i a r yn o z z l e sc h a r g e w i t ht h e s i g n i f i c a n tt a s ko ft h ew e f ti n s e r t i o n ；w h i l et h ea i rc o n s u m p t i o no ft h ea u x i l i a r yn o z z l e a c c o u n t e df o ra b o u t7 5 o ft h ew h o l ea i r c o n s u m p t i o nd u r i n g t h ew e f t i n s e r t i o n t h e r e f o r e ，i no r d e rt oi m p r o v ep r o d u c t i v i t ya n dr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n ， t h es t u d yo ft h ef l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea u x i l i a r yn o z z l ei sv e r ys i g n i f i c a n t i nc h a p t e ro n e ，t h ec o u r s eo ft h ew e f ti n s e r t i o no fa u x i l i a r yn o z z l e ，t h es t r u c t u r eo f a u x i l i a r yn o z z l e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea i r f l o wu s e db yw e f ti n s e r t i o na n dt h e s i g n i f i c a c eo fi t sr e s e a r c ha l ed i s c u s s e d i nc h a p t e rt w o ，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 l m o d e lo ff l o wf i e l di nw e f ti n s e r t i o no fa u x i l i a r yn o z z l eo fa na i r - j e tl o o m ，a n dt h e g e o m e t r i c a lm o d e lo ft h ef l o wf i e l do ft h ea u x i l i a r yn o z z l ei se s t a l i s h e d i nc h a p t e rt h r e e ，t h es o f t w a r ef 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 l w h i c hi se s t a l i s h e db yc h a p t e rt w o c o m p a r e dt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h et e s t r e s u l t s ，t h ef 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 st h ef l u e n tt os i m u l a t et h ef l o wf i e l di n w e f ti n s e t i o no fa u x i l i a r yn o z z l eo fa l la i r - j e tl o o mi sv a l i d a t e d i nc h a p t e rf o u r , h 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 l so fd i f f e r e n t n o z z l es h a p e ，a n dt h eo p t i c a lm o d e lu n d e rd i f f e r e n ts u p p l yp r e s s u r e sa r eo b t a i n e d t h r o u g ht h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i s i nc h a p t e rf i v e ，f l u e n ti su s e dt oa n a l i s i st h ei m p a c t so ft h ec h a n g e so ft h ef o u r s t u c t u r ep a r a m e t e s ，t h ee n t r a n c ed i a m e t e r , t h ej e ta n g l e ，t h el e n g t ho ft h et r a n s i t i o nz o n e ， a n dt h en o z z l ed i a m e t e r b a s e do nt h i s ，t h eo r t h o g o n a lp i l o tp r o g r a m sa r ed e s i g n e da n d s i m u l a t e d a tl a s t ，ag r o u p eo fs t r t l c t u r ep a r a m e t e r sh a sb e e no b t a i n e dt h r o u g ht h e c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h es i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d s ：a i r - j e tl o o m ；a u x i l i a r yn o z z l e ；f l o wf i e l d ；f l u e n t ；s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n w r i t t e n b y ：t a nb a o h u i s u p e r 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 喷气织机的高速化l l 。1 2 节能减排、降低能耗的普及化2 1 2 喷气织机辅助喷嘴简介3 1 2 。1 喷气织机引纬系统简介3 1 2 2 喷气织机辅助喷嘴结构4 1 2 3 喷气织机辅助喷嘴的作用5 1 2 4 辅助喷嘴研究现状5 1 3 喷气引纬气流特性6 1 3 1 空气的压缩性和膨胀性6 1 3 2 空气流动的粘滞性6 1 3 3 空气的层流与紊流特性。7 1 4 本文主要研究内容7 第二章数值模型及网格划分9 2 1 辅助喷嘴引纬流场的数学模型9 2 1 1 气体动力学基本控制方程9 2 2 流场几何模型的建立及网格划分1 0 2 2 1 辅助喷嘴的结构1 0 2 2 2 流场三维几何模型建立1 0 2 2 3 模型网格的划分1 1 2 2 4 指定边界类型1 1 2 3 本章小结1 2 第三章数值计算及流场分析1 3 3 1 f l u e n t 简介1 3 3 2f l u e n t 软件设置1 4 3 2 1 求解器设置1 4 3 2 2 工作压力设置1 4 3 2 3 粘性模型设置1 5 3 2 4 材料设置。1 5 3 2 5 边界条件设置1 5 3 3 流场分析。1 7 3 3 1 辅助喷嘴实际流速中心线上的气流压力及速度分布1 8 3 3 2 不同供气压力条件下实际流速中心线上速度分布。1 9 3 4 数值计算与实验结果对比1 9 3 4 1 距出口4 0 m m 截面的速度分布比较1 9 3 4 2 距出口9 0 m m 截面的速度分布比较2 0 3 4 3 实际流速中心线上的速度比较2 1 3 4 本章小结。2 2 第四章不同喷孑l 形状辅助喷嘴流场分析与比较2 3 4 1 不同孔型辅助喷嘴的流场分析2 4 4 1 1 双圆孔型辅助喷嘴的流场性质分析。2 4 4 1 2 三圆孔型辅助喷嘴的流场性质分析2 8 4 1 3 五圆孔型辅助喷嘴的流场性质分析3 2 4 1 4 七圆孔型辅助喷嘴的流场性质分析3 7 4 1 5 八圆孔型辅助喷嘴的流场性质分析4 1 4 1 6 九圆孔横排型辅助喷嘴的流场性质分析一4 5 4 1 7 九圆孔菱形排列型辅助喷嘴的流场性质分析4 9 4 1 8 十九圆孔型辅助喷嘴的流场性质分析。5 4 4 1 9 矩形孔辅助喷嘴的流场性质分析5 8 4 2 不同孔型辅助喷嘴的对比分析6 3 4 2 1 供气压力为0 2 m p a 时的对比分析6 3 4 2 2 供气压力为0 3 m p a 时的对比分析6 5 4 2 3 供气压力为0 4 m p a 时的对比分析6 6 4 3 本章小结。6 8 第五章辅助喷嘴结构参数优化6 9 5 1 辅助喷嘴设计目标及评价准则7 0 5 2 1 辅助喷嘴设计目标7 0 5 2 2 辅助喷嘴性能评价准则7 0 5 2 喷孔直径对辅助喷嘴性能性能影响的分析7 1 5 3 喷射角对辅助喷嘴性能影响的分析7 3 5 4 过渡区长度对辅助喷嘴性能影响的分析7 5 5 5 入口直径对辅助喷嘴性能影响的分析7 7 5 6 辅助喷嘴的结构参数优化设计7 9 5 6 1 正交试验方案的确定7 9 5 6 2 数值结果及分析8 0 5 7 本章小结8 4 第六章总结与展望8 5 6 1 本文工作总结8 5 6 2 本文创新点8 5 6 3 进一步工作的建议8 6 参考文献8 7 攻读硕士学位期间本人出版或公开发表的论著、论文9 0 致谢9 1 喷气织机辅助喷嘴流场分析及结构参数优化 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 喷气织机的高速化 “唧唧复唧唧，木兰当户织织造技术的发展已经有几千年的历史。在漫长 的岁月中，有梭织机在织造中一直占据着主导地位。从人力织机到动力织机，再 到自动换梭或换纡织机，虽然在织造技术上有许多改进，但仍未能消除采用梭子 引纬所固有的缺陷，如引纬速度不高、车速低、织机噪声大等问题。随着人们对 织物品种多样化的需求日益增加，有梭织机的缺点愈发突出，如通用性较差、产 量较低，因此人们不断地寻求新的引纬方式，力求在织造技术上寻求新的突破【l 】。 在探索新的引纬方式的过程中，出现了片梭引纬、剑杆引纬、喷水引纬、喷 气引纬等新的引纬方法，其中喷气引纬的方法成为人们关注的焦点之一。 1 9 1 1 1 9 1 4 年，美国人b r o o k s 就提出了用气流引纬代替传统梭子引纬的构想， 并申请了专利，但压缩空气自主喷嘴喷出后，对气流缺乏控制，气流迅速扩散， 喷射速度急剧下降，以致能源消耗量大和纬纱飞行不稳定【l 】。 1 9 2 9 年，e h b e l l o w 发明了喷嘴引纬，并在喷射对侧设置了接应吸嘴，以提 高纬纱飞行的稳定性【1 1 ；1 9 3 0 年英国的h e y w o o dw o r kf i e l d 公司发表了多喷嘴引 纬方式【2 】。但以上只是表明了喷气引纬原理的可行性，在当时并未实用化。 直到1 9 4 9 年，捷克才首先制成了p 4 5 型喷气织机，由于该机对气流扩散未采 取任何措施，因此幅宽窄，仅有4 5 c m ，引纬质量也不高，只能织出类似纱布样的 粗糙织物【z 】。 第一台商业化的喷气织机m a x b o 是由瑞典人m a x p a a b o 设计出来的，经过不 断改进，1 9 5 8 年瑞典制造出m p 7 型，幅宽增加到9 0 c m ，转速达到3 1 0 r m i n ，除 主喷嘴外，在梭1 2 1 另一侧也采用吸气装置，以牵直纬纱，引导其顺利穿过梭1 2 1 【l 】【2 】。 随着空气动力学理论的发展，防止喷射气流扩散的研究以及纬纱飞行稳定性 的提高，喷气织机先后出现了多种气流控制方式，主要包括：单喷嘴管道片式、 主喷嘴+ 辅助喷嘴+ 管道片式、主喷嘴+ 辅助喷嘴+ 异形筘式等引纬方式。其中使用 最为广泛的是主喷嘴+ 辅助喷嘴+ 异形筘组成的气流引纬方式【3 】。 1 9 7 9 年、1 9 8 3 年国际纺织机械展览会上，先后展出了2 0 多台和5 0 多台各种 类型的喷气织机。标志着喷气织机已趋于成熟，并进入了大量工业性生产和使用 第一章绪论喷气织机辅助喷嘴流场分析及结构参数优化 阶段【l 】。 上世纪8 0 年代以来，由于喷气技术突破性的进步，如电子计算机、传感技术、 控制技术及变频调速技术的应用和发展，织机的运转速度大大提高，自动控制水 平也取得了显著进展。1 9 9 9 年国际纺织机械展览会( i t m a ) 上津田驹公司展出的喷 气织机最大入纬率达到了3 2 2 2 m m i n ，织机最高车速达到1 5 0 0 r m i n ，而2 0 0 7 年慕 尼黑i t m a 展出的z a x 型喷气织机转速更是高达1 9 0 0 r m i n 。现代喷气织机已具 有速度高、自动控制水平高、产品质量高、品种适应性强等优点。 本世纪初，新型喷气织机采用了许多先进技术，如电子送经、电子卷取、经 纱张力和纬纱张力的自动控制、经向及纬向断头的自动诊断和修复等，使喷气织 机在高速运转下能保证产品质量的稳定性。经过不断发展，喷气织机的织物品种 已向阔幅、多色、长丝方向发展，可织造从5 0 e c m 2 左右的涤纶仿真丝绸到 5 0 0 6 0 0 9 m 2 的各类织物，可根据织造工艺要求选择多达1 2 种颜色的纬纱进行引 纬，最大幅宽可达5 4 0 c m l 4 1 。喷气织机正向高速度、高幅宽、高入纬率、高品种适 应性发展。 喷气织机高速化主要取决于提高纬纱飞行速度，而提高纬纱飞行速度的关键 在于提高气流合成的质量。辅助喷嘴在引纬过程中以接力传递的方式将纬纱送过 梭口，被称为喷气织机的“心脏”。所以，研究辅助喷嘴的气流性质，探寻出一定的 规律来指导辅助喷嘴的乃至整个引纬系统的设计，都具有重要的应用意义。 1 1 2 节能减排、降低能耗的普及化 节能减排、降低能耗指的是减少能源浪费和降低废气排放。在我国2 0 0 5 年的 “十一五”规划纲要中提出，“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低2 0 左右、 主要污染物排放总量减少1 0 。这是贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社 会的重大举措；是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择；是推进经济结 构调整，转变增长方式的必由之路；是维护中华民族长远利益的必然要求。为调 动全社会参与节能减排的积极性，2 0 1 2 年1 月3 1 日，国家发改委会同中宣部、 教育部、科技部等1 7 个部门联合下发“十二五”节能减排全民行动实施方案， 以指导组织开展家庭社区、青少年、企业、学校、军营、农村、政府机构、科 技、科普和媒体等十个节能减排专项行动。可见，节能减排、降低能耗，已经 成为我们国家的一项基本国策。 一方面，喷气织机高速化的发展，需要作为引纬系统关键零部件的辅助喷嘴 2 喷气织机辅助喷嘴黼分析厦结构参数优化第一章绪论 提供更高速度的气流，另一方面，节能减捧的基本国镶又需要气耗量占整机气耗 量7 5 的辅助喷嘴尽量降低气耗量。所以，研究辅助喷嘴的流场性质具有重大应 用意义。 12 喷气织机辅助喷嘴简介 1 2l 喷气织机引纬系统简介 引纬系统是喷气织机五大系统之一，其组成如图i 1 所示，一般由筒子架、纬 纱筒子、前后张力器、储纬嚣、主喷嘴、辅助喷嘴、异形筘、电磁阀、边剪和探 纬器组成。这些装置的正确安装和协调工作保证了喷气织机引纬的正常运行。 l - 蚌纱筒子2 后张力器3 措蚌嚣4 - 前张力器5 - - , - 奇嘴6 - 蚌纱 7 - 遗剪噼形筘哺助- t 啃l 嘣纱1 1 删嚣1 2 - 延伸贡嘴 图1 1 喷气织机引纬系统 纬纱6 从纬纱筒子1 上退绕下来，通过后张力器2 拉伸后，纱线张力增大， 并缠绕在定长储纬器3 的鼓轮上，储纬器上设有挡纱磁针，以确保一定的纬纱长 度，引纬时纬纱在负压的作用下被吸入主喷嘴5 ，通过高速气流的加速后，进入异 形筘8 的筘槽中飞行，筘槽起着防止气流扩散和引导纬纱平稳飞行的作用，辅助 喷嘴9 的喷射气流在筘槽内形成引纬流场，以维持纬纱的运动速度，在延伸喷嘴 1 2 的作用下使其顺利飞越棱口，完成引纬。随后异形筘将引入的纬纱打向织口， 促使经纱与纬纱交织形成织物。最后由筘边处的边剪7 剪断纬纱，为下次引纬作 准备。其中主喷嘴和辅助喷嘴的喷射时间由织机控制系统控制电磁阀的启闭来实 沙 k，移 。 ，嘭 第章绪论 喷气织机辅助喷嘴流场分析厦结构参数优化 现，辅助喷嘴的数量由幅宽决定，探纬器1 1 探测是否短纬或断纬。 12 2 喷气织机辅助喷嘴结构 常见的辅助喷嘴为上扁下圆的空心管，如图1 2 所示，辅助喷嘴喷管用不锈钢 薄壁扁管制成，管壁厚约0 4 m m ；内壁光滑，以减少气流在管内形成的涡流：外 壁也应十分光滑耐磨，以减少对纬纱的摩擦。喷管头端扁平，开有喷气孔，压缩 空气从喷孔中射出，喷射方向与水平面的夹角称为喷射角，如图1 3 所示，喷射角 一般为4 0 6 0 _ ”。 n ”7 ? j 阱。i 虻“叫 卜” j o r 3 4 , 2 一。 汀 图12 辅助喷嘴结构图 图i3 辅助喷嘴喷射角 _墓盏盟 国i4 不同孔型的辅助啧嘴 辅助喷嘴的喷孔有多种形式，如图1 4 所示，一般根据其喷孔的数目和形状分 为圆形孔和非圆形孔两大类。圆形孔中又可分成单孔、双孔、血孔、七孔、九孔、 十九孔、二十一孔等；非圆形孔中叉可分为矩形孔、星型孔等。目前，以r 本机 型为代表的亚洲机型多采用单孔和少孔如津田驹、丰田、尼桑等公司的喷气织 c：j=1-=o 瓤脚僻 喷气织机辅助喷嘴流场分析及结构参数优化 第一章绪论 机多采用此种孔型；以必佳乐机型为代表的欧洲机型多采用多孔和异型孔，如苏 尔寿、必佳乐、舒美特、多尼尔等公司的喷气织机多采用七孔、九孔、十九孔等， 有时也采用矩形孔和星型孔等异型孔【6 】。 1 2 3 喷气织机辅助喷嘴的作用 辅助喷嘴是喷气织机的关键部件，其性能好坏直接影响着喷气织机的工作效 率及织物的质量，被誉为喷气织机的“心脏 。对辅助喷嘴的性能有以下几点要求： 1 喷嘴出口的气流速度高( 气压在0 1 5 m p a 时达9 5 m s ) ； 2 集束性好，射程尽可能远( 大于2 0 m m ) ； 3 有准确的孔径和喷射方向【l 】。 辅助喷嘴的主要作用： 1 担负着将纬纱接力送过梭口的重要任务； 2 利用拉伸喷嘴( 又叫尾喷嘴) 来伸直纬纱，减少纬缩，提高引纬质量； 3 与主喷嘴一起共同优化引纬参数，达到完善引纬质量和节气省能的目蒯引。 1 2 4 辅助喷嘴研究现状 现代新型喷气织机的幅宽已达5 4 0 c m ，纬纱自主喷嘴喷出引入筘槽后，主要 依靠辅助喷嘴高速气流来穿越梭口，故沿幅宽方向一般布置3 0 一5 0 个辅助喷嘴， 为耗气大户，为适应日益增加的织机车速和幅宽，对辅助喷嘴结构进行优化，减 小织机能耗已非常必要，国内外的研究热点也聚于此。 c a r m e nv i s c o n t e 6 1 通过实验研究从速度分布、空气扩散、气耗量、对纬纱的牵 引力四个方面对三种不同孔型的辅助喷嘴进行了实验分析比较，得到了单孔辅助 喷嘴集束性更好的结论；g b k t e p e0 z e r 7 优化了辅助喷嘴的喷孔直径和喷射时间， 使其气耗量减少了2 0 ；颜幼平【8 】应用势流代替射流的方法研究了主喷嘴射流与辅 助喷嘴射流合成的速度分布规律，并在理论上给出了辅助喷嘴的最佳安装角度； 文献【9 】研究了辅助喷嘴间距对纬纱飞行状况的影响；文献【1 0 】对主喷射流与辅喷射 流的虚假汇交现象进行了理论分析，并测量了不同辅喷供气压力下筘槽内实际流 速中心线，以适当调节辅喷嘴的安装高度；张平国等人从理论和生产实际上阐述 了辅助喷嘴的制造要点和工艺性能，并提出分组匹配选用辅助喷嘴，为喷气织机 的省气节能提供了新思路6 】【1 1 】。在辅助喷嘴的加工工艺方面，陈慧敏1 勿分析了辅 助喷嘴的性能及工艺，指出辅助喷嘴头部形状、电极参数设计、喷孔加工工艺是 影响辅助喷嘴成品率的主要因素，并提出了提高辅助喷嘴成品率的主要措施。 5 第一章绪论喷气织机辅助喷嘴流场分析及结构参数优化 从以上文献可以看出，国内外对辅助喷嘴的研究较少，主要集中在辅助喷嘴 喷射性能的实验测试及引纬工艺优化等方面，对其内腔结构及喷孔形状等参数优 化较少。近年来文献【1 3 】采用数值模拟的方法定性研究了不同喷孔形状对辅助喷嘴 喷射效果的影响，对其结构参数并未分析优化。苏州大学相关研究小组利用计算 流体力学软件来分析喷嘴流场性质方面积累了一定的经验，因此利用先进的计算 流体动力学( c f d ) 软件f l u e n t 详尽的分析辅助喷嘴流场特性，并对其喷孔直径、入 口直径、喷射角、过渡区长度等结构参数进行系统的分析和优化是可行的。 1 3 喷气引纬气流特性【1 4 】【1 5 】 辅助喷嘴气流引纬以空气为引纬载体，利用空气的流动及喷射成束的特性，将 纬纱接力穿越梭口。空气的物理特性、流动特征和紊流射流特性的简要介绍如下。 1 3 1 空气的压缩性和膨胀性 空气是一种流体，流体承受拉力和剪切力的能力很小，只要受到微小的切应力 就会产生变形和流动，但能承受较大的压力。当空气压缩时，其压强和密度增加， 并蓄积内能，因此当压缩空气释放时，气体迅速膨胀并对其它物体做功，内能也 随之降低。喷气织机辅助喷嘴的工作原理就是利用了空气的压缩性和膨胀性这一 特征，将压缩空气引入辅助喷嘴并释放出来，经过加速的过程后，便在辅助喷嘴 出口处形成高速气流束，通过筘槽内高速射流与纬纱的摩擦作用，带动其向前飞 行，穿越梭口，完成引纬过程。 1 3 2 空气流动的粘滞性 流体的流动受制于流体的粘滞性，粘滞性是流体抵抗其微团相对运动的性质。 具体表现为单位面积上的剪应力，即流体内部质点或流层间相对运动时产生的内 摩擦力，对于牛顿流体，内摩擦力与相邻流层速度梯度d v d y 的比值称为空气的动 力粘度，用来表示： f l u = d v 二d y ( 1 1 ) 、， 其国际单位为n 咖n 2 或p a s 。若为常数，则为牛顿流体，反之则为非牛顿流 体，常用的空气、水等均为牛顿流体。对于牛顿流体通常用运动粘度v 来代替动力 粘度： v = ( 1 2 ) 6 喷气织机辅助喷嘴流场分析及结构参数优化第一章绪论 式中动力粘度，p 为流体密度。由于y 的单位是m 2 s ，没有动力学中力的因次， 只有运动学要素，所以称为运动粘度。空气的粘滞性是空气分子不规则热运动产 生动量交换的结果。对于气体，当温度升高时，分子间热运动产生的动量交换增 加，气体粘度随温度升高而不断增大。 1 3 3 空气的层流与紊流特性 1 8 8 3 年，英国物理学家雷诺等人对流体进行实验时发现，流体运动有层流与 紊流两种性质不同的状态。层流是一种很光滑的流动，指流层间互不相混的流动， 流体的速度、压力等参数按流层分布平滑的变化，紊流指流体质点的运动轨迹是 不规则的，表征流体流动的各参量呈现不规则的变化，并伴随着一定的脉动特性。 雷诺首次引入无因次参数r e 以方便地判别流态： r e = 哦 ( 1 3 ) 式中y 为流速，d 为管径，y 为运动粘度。工程中常用的流态判据为： 层流流态r e 2 3 0 0 尺p 体现了流体所受惯性力与粘滞力之比，是表征流体流动的重要参数，其值越大， 流体流动越紊乱。 喷气织机的引纬气流属高速射流范畴，压缩空气经主喷嘴及辅助喷嘴调制、 整流及加速后从喷孔射出，筘槽内的气流速度达1 0 0 2 0 0 m s ，雷诺数约1 0 6 ，呈典 型的可压紊流流动。 1 4 本文主要研究内容 辅助喷嘴是喷气织机的关键零部件，其性能的好坏将直接关系到织物的质量、 织造的效率和能源的消耗。但目前对于辅助喷嘴的研究上还没有人给出其完整的 流场分析，结构参数上也没有人对其详细的优化。苏州大学相关研究小组在利用 计算流体力学软件来分析喷嘴流场性质方面积累了一定的经验，本文在课题组前 人对喷气织机研究的基础上首次详尽的分析了辅助喷嘴的流场性质，并通过与相 关文献实验值的对比，证明了数值计算结果与实验结果的一致性。针对辅助喷嘴 类型多，各个厂家对辅助喷嘴喷气引纬实质性认识不同的问题，本文分析了不同 孔型辅助喷嘴在不同供气压力条件下的气流性质，并对各孔型辅助喷嘴的喷射特 性做了详尽的分析，在此基础上对比分析了三种供气压力条件下各孔型辅助喷嘴 7 第一章绪论 喷气织机辅助喷嘴流场分析及结构参数优化 的射流特性，得出了各供气压力条件下辅助喷嘴的最优模型。同时分析了入口直 径、出口直径、喷射角、过渡区长度四个工艺参数对辅助喷嘴流场性质的影响， 采用四因素三水平的正交实验，并结合数值模拟，得出了一组具有较好气流性质 的辅助喷嘴结构参数，对辅助喷嘴的设计具有一定的指导意义。 本文的主要工作及章节内容安排如下： 第一章简述课题研究背景、辅助喷嘴的研究现状、喷气引纬所用的气流特性 及本课题的研究意义。针对辅助喷嘴缺乏详细的流场分析和结构参数优化的问题， 本文在课题组对喷气织机引纬流场研究的基础上，对辅助喷嘴的流场性质和结构 参数进行研究。 第二章建立了喷气织机辅助喷嘴高速引纬气流的控制方程组，同时建立了辅 助喷嘴流场的几何模型，并进行了网格划分和边界属性的定义。 第三章利用f l u e n t 对建立好的模型进行数值计算，并与相关文献实验值做一 对比，验证了利用计算流体动力学的分析方法分析辅助喷嘴流场的可行性。 第四章先对不同孔型辅助喷嘴的流场特性做逐一分析，在此基础上，对比分 析三种供气压力条件下不同孔型辅助喷嘴的流场特性，得出了一定的结论。 第五章分别分析了喷孔直径、喷射角、过渡区长度、喷孔直径四个结构参数 对辅助喷嘴流场特性的影响，在此基础上设计了正交试验方案，通过对各方案的 数值模拟及其结果分析，得出了一组具有较好射流特性的辅助喷嘴，拓展了辅助 喷嘴的设计思路。 第六章总结全文的主要工作，指出本文的创新点和不足之处，并就进一步完 善辅助喷嘴研究提出建议。 8 喷气织机辅助喷嘴流场分析及结构参数优化第二章数值模型及网格划分 第二章数值模型及网格划分 2 1 辅助喷嘴引纬流场的数学模型 2 1 1 气体动力学基本控制方程【1 】1 6 1 喷气织机辅助喷嘴内部的气流流动可视为可压粘性流动，其运动受物理守恒 定律的支配，即质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。为使方程组封闭， 还需补充气体状态方程。 1 质量守恒方程 质量守恒定律可表述为：单位时间内流体微元中质量的增加，等于同一时间 间隔内流入该微元体中的质量增量。由此可得质量守恒方程： 挈+ 掣+ _ b ( p v ) + _ b ( p w ) ：0 ( 2 1 ) m 。孤a ya z 、7 式中p 为气体密度，t 为时间，“、 ，、w 为x 、y 、z 方向的速度分量。 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 2 ) 式中：毛、吃分别为单位质量流体上的质量力在三个方向的分力；p 叫是流 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，是辅 助喷嘴获得高速射流的理论依据。 号+ z 1 + 堕2 95 等+ z 2 + 堕2 9 2 常数( 2 3 ) 7 1 7 9 玩百峨百监弛 监砂畹百监砂 监础监h监孤 r ， z 吒 暖 以 暇 心 = = = 以一出咖一出叭一出 d d 9 第= 章数值模型及月格划分 喷气织机辅助喷嘴巍场分析厦结构参数优化 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 y 2 为各断面的压能，z 为势能，兰为动能。 g 4 气体状态方程 综合各基本方程可知，有“、v 、w 、p 、t 和p 六个未知量，而方程只有五个， 因此还需补充一个联系p 和p 的气体状态方程，才能使方程组封闭： _ d = p r t ( 2 4 ) 式中r 为摩尔气体常数。 2 2 流场几何模型的建立及网格划分 22 1 辅助喷嘴的结构 辅助喷嘴一般根据喷孔的形状分为圆形孔和非圆形孔两大类。非圆形孔又据 喷孔数目的多少分为单孔、双孔、五孔、七孔、十九孔、二十一孔等。本文以典 型单孔辅助喷嘴为研究对象，图21 为其结构截面示意图，图2 2 为辅助喷嘴的三 维模型图。其几何结构参数为：入口直径3 2 r a m ，出1 3 直径1 5 r a m ，喷射角4 。 过渡区长度l o m m 。 卜北堂 囤21 辅助喷嘴的结构 图2 2 辅助喷嘴的三维模型 2 22 流场三维几何模型建立 由于辅助喷嘴的出口处较复杂，f l u e n t 前处理软件无法准确地表达其流场的结 眦 喷气织机辅助喷嘴流弱分析及结构参数优化第= 章教值模型厦嗣格划分 构，故本文在p r o e 软件中建立其三维流场模型( 如图2 3 所示，为了减少其计算 量，本文只建立了一半的流场模型) 。辅助喷嘴的流场模型包括辅助喷嘴内部流场 和外部远场两部分：对于外部远场，理论上可以建立任意长的模型，由于本文数 值模拟用的辅助喷嘴结构参数与文献【6 i 中d 型辅助喷嘴的结构参数基本一致，文 献【6 仲分析了距辅助喷嘴出口4 0 r a m 截面和9 0 m m 截面的速度分布，为了便于与 文献【6 】有关实验结果相比较，如图23 所示，本文建立了4 0 椰长的流场模型和 9 0 r a m 长的流场模型。 “d i ! 场 。吼讹撕 图2 3 辅助喷嘴流场的三堆模型 2 23 模型网格的划分 网格是c f d 的几何表达形式，也是模拟和分析的载体，网格质量对计算精度 和计算效率有重大影响。由于辅助喷嘴流场的模型中包括许多曲面，模型也较复 杂。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。图2 4 为辅助喷嘴出 口处的网格模型。总网格数量约为4 0 万。 一 。” 囤2 4 辅助喷嘴流场局部网椿模型 2 24 指定边界类型 划分好网格的模型需进行边界属性的定义，g a m b i t 对不同的求解器提供了相 应的边界条件，在f l u e n t 5 6 中提供了p r e s s u r e i n l e t ( 矗, j 3 x , 口) 、p l _ e s s u r co u e t ( 压力 出口) 等1 0 多种边界。本文所需边界条件有4 种：p r e s s u r e i n l e t ( 压力入口) 、 p r e s s u r e - o u t l e t ( 压力出1 3 ) 、s y m m e t r y ( 对称面) 、w a l l ( 壁面) 。具体设置如下；压力空 第二章数值模型厦日格划分 喷气织机辅助喷嘴流场分析及结构参数优化 气入口的边界条件定义为p i e s s u 肛i n l d ( 压力入口) ，中间对称面定义为s y 衄e 口“对 称边界条件) ，辅助喷嘴出口处的外部远场定义为p m s s u f e _ 0 u u e t ( 压力出口) ，其他 面为默认条件w 出1 ( 壁面) 。定义好边界属性后，数值模拟的前期工作已全部完成。 影 2 3 本章小结 匿2 5 划分好的网格模型度边界条件的设王 、一 本章构建了引纬流场的基本控制方程和湍流方程，从原理上阐述了数值计算 的过程。建立了辅助喷嘴流场的几何模型，并利用专业网格划分软件h y p c r m e s h 进行网格划分。将网格模型导入g a m b i t 中设置边界类型后，完成了数值计算的前 期工作，为下文辅助喷嘴的数值模拟及结构优化奠定了基础。 套 喷气织机辅助喷嘴流场分析及结构参数优化第三章数值计算及流场分析 第三章数值计算及流场分析 上一章论述了计算流体动力学( c f d ) 数值模拟的理论基础，本章对上一章所建 立的有限元模型采用f l u e n t 软件进行数值模拟，并与实验结果对比，以验证采用 计算流体动力学的分析方法来分析辅助喷嘴气流流场的可行性及准确性。 3 1f l u e n t 简介 计算流体动力学( 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 ) 通过计算机数值 计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。 c f d 的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如 速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的 原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代 数方程组获取场变量的近似值。c f d 可以看作是在流动基本方程( 质量守恒方程、 动量守恒方程、能量守恒方程) 控制下对流动的数值模拟。 为了完成c f d 的计算，过去多是用户自己编写计算程序，但由于c f d 的复杂 性及计算机软硬件的多样性，使得用户各自的应用程序往往缺乏通用性，而c f d 本身又有其鲜明的系统性和规律性，因此可方便的制成通用软件。自1 9 8 1 年以来， 出现了诸如p h o e n c s 、c f x 、s t a r c d 、f i d i p 、f l u e n t 等多个商用c f d 软 件。而f l u e n t 是目前处于世界领先地位的c f d 软件之一，广泛应用于模拟各种 流体流动、传热、燃烧和污染物运移等问题。与其他c f d 商业软件相比，f l u e n t 具有以下优点： ( 1 ) f l u e n t 提供了非常灵活的网格特性，它允许用户根据解得具体情况对网 格进行修改。 ( 2 ) f l u e n t 可用于二维平面、二维轴对称和三维流动分析，可完成多种参考 系下流场模拟、定常与非定常流动分析、不可压流和可压流计算、层流和湍流模 拟、传热和热混合分析、化学组分混合和反应分析、多项流分析、固体与流体耦 合传热分析、多孔介质分析等。 ( 3 ) f l u e n t 可让用户定义多种边界条件，如流动入口及出口边界条件、壁面 边界条件等，可采用多种局部的笛卡尔和圆柱坐标系的分量输入，所有边界条件 均可随空间和时间变化，包括轴对称和周期变化等。 1 3 第三章数值计算及流场分析喷气织机辅助喷嘴流场分析及结构参数优化 ( 4 ) 在f l u e n t 中，解得计算与显示可以通过交互式的用户界面来完成。 基于以上f l u e n t 的优势，本文采用国内运用最广泛的f l u e n t 软件来进行 数值模拟。 3 2 f l u e n t 软件设置 从本质上讲，f l u e n t 只是一个c f d 求解器。f l u e n t 本身提供的主要功能 包括导入网格模型、提供计算的物理模型、施加边界条件和材料特性、求解和后 处理。在使用f l u e n t 之前，首先应针对所要求解得物理