喷气织机主喷嘴的流场分析.pdf

西 安 工 程 大 学 学 报 Journal of Xi an Polytechnic University 第 22 卷第 4 期 总 92 期 2008年 8月Vol 22 No 4 Sum No 92 文章编号 1671 850X 2008 04 0424 03 收稿日期 2008 05 12 通讯作者 王贯超 1956 男 河南省清丰县人 西安工程大学副教授 E mail fywgc560606 163 com 喷气织机主喷嘴的流场分析 王贯超 杨 昆 梁海顺 西安工程大学 机电工程学院 陕西 西安 710048 摘要 采用流体动力学软件 NUMECA 对喷气织机主喷嘴的气流流场进行了数值模拟 揭示了 导纱管内不同截面上气流速度的分布 并对主喷嘴内部气流的轴向动压和马赫数分布进行了分 析 结果表明 利用数值模拟研究主喷嘴流场特性方便 快捷 且精度也较高 关键词 主喷嘴 数值模拟 NUMECA 喷气织机 中图分类号 TS 103 文献标识码 A 0 引 言 喷气织机高速化的原因主要在于高速气流引纬 目前大多数喷气织机均采用异形筘加接力辅助喷嘴 的引纬方式 主喷嘴的高速气流把纬纱从静止状态加速到纬纱所需的飞行速度 并由筘槽内的主 辅喷嘴 的合成气流把纬纱引过梭口 引纬流场的分布十分复杂 但纬纱引纬的飞行速度主要取决于主喷嘴出口风 速 1 所以主喷嘴的射流特性对喷气引纬起着关键作用 研究主喷嘴的流场分布和特性 对于提高喷气织 机的速度及引纬质量具有非常积极的意义 由于主喷嘴内部的结构比较复杂 尺寸较小 其内部气流属于三维湍流流动 而且还涉及到气固两相 相互作用以及气流汇合等许多复杂情况 使得主喷嘴射流流场的理论研究及实验研究遇到很大困难 NUMECA 是由 Numeca Inernational 公司开发的 FINE 系列软件组成 由于采用了近几年研发出的 最先进技术 使其在计算速度 计算精度 所需计算机内存 使用方便程度 界面友好程度等方面都具有独 特的优越性 因此成为目前国际上最优秀的计算流体力学 简称 CFD 也叫数值模拟 软件之一 本文采用的 FINE HEXA 软件包 包括前处理 求解器和后处理 3 个部分 其中前处理的网格生成器 对于主喷嘴的网格生成速度和质量远高于其他软件 由于对主喷嘴气流流场的数值模拟费用低 耗时少 方便快捷 且精度高 因此通过数值模拟方法来分析 研究主喷嘴的流场分布和特性 不但可以为主喷嘴的 实验研究和理论模型预测提供有力的支持 而且有助于主喷嘴结构的优化设计 并可有效地提高设计效 率 降低设计成本 1 主喷嘴流场的数值模拟 1 1 数值模拟条件 采用了相对简单的单方程 Spalart Allmaras 模型 模型中的输运变量在近壁处的梯度要比 k 双方程 模型中的小 这使得该模型对网格粗糙带来数值误差不太敏感 1 将整个三维计算域划分为多重网格数为 3的 1 201 806 个全六面体非结构网格单元 2 纬纱入口总压 P 101 325Pa 温度 T 293K 3 高压空气进口总压 P 200 000Pa 温度 T 300K 为了确保喷气织机能以 1000 r min 以上的高速正常引纬 必须使主喷嘴的出口风速接近或达到音 速 所以主喷嘴常采取小喉部截面和加大长径比的导纱管结构设计 以使主喷嘴获得 高压力 小流量 的 流场特性 1 2 主喷嘴内轴向动压和马赫数分布 图 1 和图 2 分别为 ZAX 型主喷嘴内部气流的轴向动压和马赫数数值模拟的分布云图 图 1 主喷嘴内部的轴向动压云图 图 2 主喷嘴内部气流的轴向马赫数云图 从图 1 可以看出 主气包的高压气流和引纬流道的低压气流在喷嘴芯的出口处汇合 形成一个锥形负 压小区 在纬纱进口中 动压由小变大 直至锥形负压小区 这非常有利于纬纱被吸进纬纱通道 过了锥形 区后 动压变化趋于稳定 由图 2 可见 主气包的高压气流经第一气室 整流槽 尾流区及亚音速加速区 在临界截面 喉部处 达到音速 主喷嘴的喉部位于喷嘴芯头端的小直径长圆柱 低亚音速缓加速段 2 和导纱管内壁之间的圆 环形缝隙处 此处的截面积大约为 1mm 2 马赫数达到 1 有资料 3 表明 当喉部截面小于 2mm 2 气包静压 高于 0 2MPa 时 喉部气流将达到音速 鉴于不同机型的主喷嘴结构和性能也不尽相同 仅通过拧进拧出喷嘴芯无法改变喉部截面积 本文采 用的 ZAX 型主喷嘴的环形柱状区的长度大约为 5mm 左右 而喷嘴芯的缧纹为 M8 0 5 因此也就无法 通过调节喷嘴芯位置来达到改变主喷嘴出口风速的目的 3 图 3 导纱管内径向气流速度曲线 1 3 导纱管内不同截面速度分布 图 3 所示为气流在导纱管不同截面中的速度分布曲线 从该图可以看出 气流在纱线的引射区截面上的速度波动较 大 一般是管壁附近速度最大 轴心处较大 而管壁至轴心之 间有一个速度最低谷值 这是由于引纬流道的低速气流与喷 嘴喉部的高速气流在引射区汇交所至 在距引纬流道出口距 离较远的纬纱加速区截面上速度分布曲线中 可以清楚地看 到圆管湍流运动中的 3个区域 即层流底层区 过渡区和湍流 核心区 根据圆管湍流运动理论 4 层流底层区的厚度可近似 按下式计算 即 30d Re 1 式中 为湍流运动的沿程阻力系数 d 为圆管半径 Re 为流动雷诺数 相关资料 1 给出导纱管加速区中湍流速度沿半径分布实验方程 v vm 5 75vflg r0 r0 r 2 式中 vm为最大流速 vf为阻力流速 r0为圆管半径 由于主喷嘴内的气流雷诺数很大 所以层流底层很薄 并随流动距离而增大 导纱管内壁的粗糙度对 层流底层有相当的破坏作用 对气流流动能量损失影响很大 所以必须保证主喷嘴导纱管内壁的光洁度 425第 4 期 喷气织机主喷嘴的流场分析 另外 由于引纬流道的低速气流与喷嘴喉部的高速气流在引射区的汇交 使得引射区截面中的气流速 度分布与加速区截面中的气流速度分布有着明显的不同 这一点在主喷嘴的设计与制造中应给予充分注 意 1 4 导纱管出口的圆射流分布 主喷嘴出口外的气流属于自由淹没圆射流 由于卷吸作用和扩散作用 结果使射流的能量沿气流的轴 线方向损失而导致流速急骤下降 通常主喷嘴出口距钢筘的距离约有 10mm 为了确保引纬质量稳定 要 求进入筘槽内的主喷嘴气流能量不能下降过多 这一特性在喷气引纬中必须给予十分重视 图 4 主喷嘴射流速度分布云图 图 4 是基于 FLUENT 的主喷嘴出口外的平面自 由淹没射流特性的数值模拟速度分布云图 5 可以从 图中清楚地看到射流的初始段和基本段 初始段内的 射流核心区的气流速度为常数 内边界的区域呈锥形 长度约为 5 6D 基本段内自转折截面之后 射流中心 轴线上的速度开始逐渐下降 射流中心沿程上任一点 距喷嘴出口距离 s处 的流速 vs可用下式 6 表示 vs v0 0 97 as r0 0 29 3 式中 v0为喷嘴出口处的流速 a为喷嘴湍流系数 s为被测点距喷嘴出口处距离 r0为喷嘴出口处的截面 半径 喷嘴湍流系数 a 与主喷嘴的制造工艺有很大的关系 对主喷射流的衰减率及衰减率峰值的分布有着 很大的影响 图 5 纬纱的动态张力曲线 2 实验研究 图 5 所示供气压力为 0 3MPa 时 主喷射气流压力随 测试距离两点间衰减的相关测试曲线 从图 5 中可以清楚 看出 ZAX e 型主喷嘴不仅气流压力随测试距离的衰减率 要明显小于国产主喷嘴 而且衰减峰值点距主喷嘴出口的 距离也明显大于国产主喷嘴 4 这样有利于射流尽可能多 地射入异形筘槽内 对提高纬纱飞行速度 节约能耗是十 分有利的 图 5 中的国产主喷嘴是仿制 ZAX e 型主喷嘴 但因其加工工艺差而造成气流集束性差和速度衰减快的 现象 3 结 论 1 当供气压力达到 0 2MPa 时 主喷嘴的喉部便 可达到音速 考虑到沿程压力损失 可设置主喷嘴的供气压力 0 25MPa 在实际工作中 根据不同筘幅 可使主喷嘴的供气压力设置在 0 25 0 35MPa 之间 2 导纱管的引射区截面与加速区截面上的气流速度分布明显不同 引射区截面上气流速度沿半径 变化更为复杂 速度波动幅度也很大 3 主喷嘴射流的衰减率存在一个峰值点 此峰值点与主喷嘴的结构及加工工艺有很大的关系 应 当尽量延长衰减率峰值点距主喷嘴出口的距离 参考文献 1 张平国 喷气织机引纬原理与工艺 M 北京 中国纺织出版社 2005 2 徐浩贻 喷气织机主喷嘴及主喷射气流特性的研究 J 纺织科学研究 2001 1 48 51 3 严鹤群 戴继光 喷气织机原理与使用 M 北京 中国纺织出版社 2006 下转第 436页 426 西安工程大学学报 第 22 卷 3 张玉萍 陆洵异 酶在羊毛漂白中的应用 J 武汉科技学院学报 2005 18 12 5 6 4 陈美云 羊毛双氧水 柠檬酸漂白工艺探讨 J 上海纺织科技 2002 1 31 32 5 陈美云 双氧水 尿素漂白 J 毛纺科技 1998 2 40 42 6 单 瑛 滑钧凯 朱若英 羊毛过氧化氢催化漂白 J 天津工业大学学报 2001 20 1 14 17 7 魏玉娟 王俊杰 脱色工艺对紫羊绒染色性能的影响 J 纺织学报 2007 28 11 85 88 8 姚 穆 周锦芳 黄淑珍 等 纺织材料学 M 北京 中国纺织出版社 1990 Application of protective auxiliary WSE to the bleach of the chlorinated wool XU Cheng shu1 XING J ian wei 1 REN Yan1 REN Shu xia2 1 School of Textile and Materials Xi an Polytechnic University Xi an 710048 China 2 College of Material Science and Engineering Donghua University Shanghai 200051 China Abstract The wool protective auxiliary WSE was applied to the bleach of the chlorinated wool the process of WSE was optimized The protective auxiliary WSE has effect of the swelling and crosslinking on the wool fabric Through the test of the breaking strength and the whiteness of fabric it demon strates that the WSE greatly lessens the damage to the wool during the bleaching and the whiteness of the fabric was enhanced Key words wool protective auxiliary chlorinated wool bleach 编辑 校对 武 晖 上接第 426 页 4 王贯超 张平国 喷气织机主喷嘴气流性能测试与分析 J 棉纺织技术 2005 2 86 89 5 袁东栩 袁渊 冯志华 基于 FLUENT 的喷气织机主喷嘴气流场分析 J 苏州大学学报 2007 2 14 17 6 钱汝鼎 工程液体力学 M 北京 北京航空航天大学出版社 1989 Analysis of flow field of the main nozzle of air jet loom WANG Guan chao Y ANG kun L IANG Hai shun School of Mechanical and Electrical Engineering Xi an Polytechnic University Xi an 710048 China Abstract The NUMECA of CFD is used to perform the numerical simulation for the flow field of the main nozzle of air jet loom The radial distribution of the flow velocity in the different section of the guide tube was disclosed and the distribution of the axis dynamic pressure and Mach number in the gui