噴氣織機(jī)延伸噴嘴內(nèi)氣流場特性分析

廣少博， 金玉珍， 祝曉晨

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動控制學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

玻璃纖維織物具有絕緣、絕熱、抗腐蝕、耐高溫、高強(qiáng)度等性能，被廣泛應(yīng)用于空氣過濾、隔熱、阻燃窗簾和增強(qiáng)印刷電路板等領(lǐng)域。玻璃纖維噴氣織造速度快，纖維的磨損可達(dá)到最小化，但由于玻璃纖維間的抱合力相對于有捻纖維來說較弱，紗頭部分不易集聚。在噴氣織造過程中，引緯氣流力對玻璃纖維運動影響極大，纖維易離散，甚至使其輸送過程中斷[1]，因此，如何合理布置引緯系統(tǒng)氣流場參數(shù)，對于玻璃纖維的噴氣織造具有重要意義。目前對噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)的研究主要采用數(shù)值模擬和實驗研究的方法。

國內(nèi)外不少學(xué)者借助ANSYS等工具，建立主噴嘴、輔噴嘴和異型筘槽氣流場模型，采用數(shù)值模擬方法對噴氣織機(jī)引緯系統(tǒng)的氣流場進(jìn)行研究，分析主噴嘴[1]、輔噴嘴[2]、單主噴和多輔噴[3-4]以及異型筘槽內(nèi)的氣流場特性[5-6]。此外，一些學(xué)者還利用畢托管和激光多普勒測速儀等儀器測量了異型筘槽內(nèi)的氣流速度，分析不同供氣壓力、不同輔噴嘴間距對異型筘槽內(nèi)氣流特性的影響[7-9]，確定主噴嘴和輔噴嘴氣流在異型筘槽內(nèi)交匯時的最佳交匯角[10]。

現(xiàn)有的研究主要是對主噴嘴、輔噴嘴和異型筘槽進(jìn)行研究，主要針對引緯系統(tǒng)的前中部氣流場，而對引緯系統(tǒng)末端的氣流場研究較少。本文通過對放置在引緯系統(tǒng)末端的延伸噴嘴內(nèi)氣流場進(jìn)行研究，確定延伸噴嘴在異型筘槽中的最佳位置，優(yōu)化延伸噴嘴結(jié)構(gòu)，提高引緯系統(tǒng)末端對緯紗的拉伸牽引力，優(yōu)化引緯末端的氣流場，以期為玻璃纖維噴氣織造的實現(xiàn)提供一定的理論參考。

1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

1.1 延伸噴嘴幾何模型

延伸噴嘴三維示意圖與延伸噴嘴剖面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖中：d為延伸噴嘴進(jìn)氣口與緯紗入口間的水平距離，mm；β為進(jìn)氣口中心軸線與水平線的夾角，稱為進(jìn)氣口噴射角度，()。

圖1 延伸噴嘴示意圖Fig.1 3-D (a) and profile (b) schematic diagram of extended nozzle

延伸噴嘴在噴氣引緯系統(tǒng)中的大致位置如圖2所示。圖中，L為最后一個輔噴嘴出口與延伸噴嘴緯紗入口間的距離，mm。

圖2 延伸噴嘴在引緯系統(tǒng)中的位置示意圖Fig.2 Diagram of extended nozzle position in weft insertion system

1.2 邊界條件和網(wǎng)格劃分

簡化引緯系統(tǒng)末端流場結(jié)構(gòu)如圖3所示。輔噴嘴和延伸噴嘴的氣流入口均為壓力入口，壓力出口為大氣壓，近壁面采用Enhanced Wall Treatment，壁面邊界條件為無滑移、絕熱壁面。模型處理和網(wǎng)格劃分在ICEM中完成，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，具有較好的自適應(yīng)性，更有利于數(shù)值計算的順利進(jìn)行。本文采用四面體網(wǎng)格對等效主噴嘴、輔噴嘴和延伸噴嘴進(jìn)氣口的網(wǎng)格進(jìn)行加密，使數(shù)值模擬的結(jié)果更準(zhǔn)確。網(wǎng)格數(shù)量約為232萬個。

圖3 引緯系統(tǒng)末端氣流場網(wǎng)格圖Fig.3 Airflow field grid of weft insertion system end

2 數(shù)值方法

在歐拉坐標(biāo)系下，可壓縮牛頓流體運動控制方程如下。

連續(xù)性方程：

(1)

式中：u、v、w為x、y、z方向的速度分量，m/s；ρ為流體密度，kg/m3。

Navier-Stokes方程：

(2)

(3)

(4)

式中：p為壓力，Pa；gx、gy、gz為外力分量，N；μ為動力黏度系數(shù)。

引緯系統(tǒng)末端氣流場的雷諾數(shù)大于104，是湍射流，可忽略分子黏性的影響，因此，本文采用Realizablek-ε模型可滿足計算要求。

能量守恒方程：

(5)

式中：T為溫度，℃；cp為定壓比熱容，J/(kg·℃)；ST為流體的內(nèi)熱源，以及由于黏性作用產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的熱源，J；k為流體的熱傳導(dǎo)系數(shù)。

3 數(shù)值分析

3.1 不同L下導(dǎo)紗管內(nèi)氣流場特性

本文實驗選取L為30、60、100 mm時引緯系統(tǒng)末端氣流場云圖如圖4所示，此時輔噴嘴的供氣壓力為0.2 MPa。提取3種L下導(dǎo)紗管軸線上的氣流速度如圖5所示，用Z表示導(dǎo)紗管軸線上的位置?？芍?，不同L下導(dǎo)紗管軸線速度衰減趨勢相同。3種L下導(dǎo)紗管軸線上的最大速度和平均速度如表1所示?？芍?，當(dāng)L=60 mm 時，導(dǎo)紗管軸線上的平均速度較大，氣流力也大，有利于緯紗的拉伸牽引。

圖4 不同L下延伸噴嘴導(dǎo)紗管內(nèi)氣流場云圖Fig.4 Cloud chart of airflow field in guide hole of extended nozzle under different L

圖5 不同L下導(dǎo)紗管軸線速度分布圖Fig.5 Axis velocity attenuation diagram of guide hole under different L

表1 不同L下導(dǎo)紗管軸線上的最大速度和平均速度Tab.1 Maximum speed and average velocity on axis ofguide hole under different Lm/s

3.2 進(jìn)氣口位置對導(dǎo)紗管內(nèi)氣流速度影響

延伸噴嘴進(jìn)氣口噴射角度β均為10°，進(jìn)氣口壓力為0.2 MPa時,不同d下延伸噴嘴導(dǎo)紗管氣流軸線速度分布如圖6所示，Z為導(dǎo)紗管軸線上的位置。可以看出，當(dāng)d為30 mm時，延伸噴嘴導(dǎo)紗管軸線上的氣流速度整體較大，且波動不是很大。

圖6 延伸噴嘴導(dǎo)紗管氣流軸線速度分布圖Fig.6 Airflow velocity distribution diagram on axis of guide hole of extended nozzle

表2示出不同水平距離(d)下延伸噴嘴導(dǎo)紗管軸線上氣流最大速度、平均速度和延伸噴嘴進(jìn)氣口速度差?？芍寒?dāng)d=5 mm時，導(dǎo)紗管軸線上氣流最大速度為114.9 m/s，平均速度為 87.1 m/s,速度較大，但在延伸噴嘴進(jìn)氣口射流射入位置的氣流速度在短距離內(nèi)波動較大，波動值為 27.7 m/s，導(dǎo)紗管內(nèi)流場不穩(wěn)定；當(dāng)d=30 mm時，導(dǎo)紗管軸線上氣流最大速度為108.6 m/s，平均速度為80.7 m/s；當(dāng)氣流速度下降到80.0 m/s左右時，能維持一段時間且速度波動相對較小，導(dǎo)紗管內(nèi)流場較穩(wěn)定；當(dāng)d=50 mm時，導(dǎo)紗管軸線上氣流最大速度為98.7 m/s，平均速度為 61.8 m/s，與d=30 mm相比，速度整體較小；當(dāng)d=75 mm 時，導(dǎo)紗管軸線上氣流最大速度為 82.3 m/s，平均速度為43.2 m/s，導(dǎo)紗管軸線上的氣流速度更低，氣流力更弱。綜上所述，當(dāng)d= 30 mm 時，延伸噴嘴導(dǎo)紗管軸線上的氣流速度整體較大且速度波動較小，氣流場穩(wěn)定，因此，延伸噴嘴進(jìn)氣口與延伸噴嘴緯紗進(jìn)口的水平距離d= 30 mm 附近時，可有效提高緯紗的拉伸牽引能力。

表2 導(dǎo)紗管軸線上氣流最大速度和平均速度Tab.2 Maximum velocity and average velocity of airflowon axis of guide hole m/s

3.3 β對導(dǎo)紗管內(nèi)氣流場穩(wěn)定性的影響

β為延伸噴嘴進(jìn)氣口噴射角度，本文實驗取 3種不同情況：β=10°、30°和45°。

氣流速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差可反映氣流的穩(wěn)定性，其公式為

(6)

氣流速度橫向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差與橫向速度有關(guān)，延伸噴嘴橫向切面位置如圖7所示。分別取導(dǎo)紗管橫向切面到其進(jìn)氣口的水平距離D=5、25、45、65 mm。圖8示出β=10°時，導(dǎo)紗管4個不同位置橫向切面的速度流場云圖?？梢钥闯觯瑢?dǎo)紗管中心軸線上的氣流速度最大。

圖7 延伸噴嘴橫向切面位置Fig.7 Transverse sections of extended nozzle

圖8 β=10°時4個不同位置橫向切面的速度流場云圖Fig.8 Velocity field cloud chart of four different transverse sections at different positions at β=10°

圖9示出導(dǎo)紗管不同水平距離切面的橫向氣流速度的分布。其中，Y為導(dǎo)紗管橫向切面軸線上的位置(見圖8)。

圖9 不同距離切面的橫向氣流速度的分布Fig.9 Transverse distribution of airflow velocity of different distance sections

通過式(6)計算得出導(dǎo)紗管不同距離切面氣流速度橫向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差如表3所示。在D=5、25、45、65 mm這4個橫向切面上分別對比β=10°、30°、45°的氣流速度橫向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差可知，在β=10°時不同距離切面上氣流速度橫向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差都是最小的，因此，當(dāng)β=10°左右時，導(dǎo)紗管氣流場較穩(wěn)定。

表3 氣流速度橫向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差Tab.3 Standard deviation of transverse distribution of airflow velocity

4 實驗方案及數(shù)據(jù)分析

實驗在浙江某紡織機(jī)械股份有限公司HY-8型噴氣織機(jī)上進(jìn)行，采用智能壓力風(fēng)速風(fēng)量儀和定制畢托管分別獲取氣體流速和風(fēng)量。首先用刻度尺在畢托管探測頭上標(biāo)記位置，然后將探頭從延伸噴嘴導(dǎo)紗管末端伸入，逐步測量導(dǎo)紗管內(nèi)沿軸線不同位置的氣流速度。延伸噴嘴導(dǎo)紗管內(nèi)軸線氣流速度測試方案如圖10所示。

圖10 延伸噴嘴導(dǎo)紗管軸線速度測試方案Fig.10 Principle diagram of measuring axial velocity of guide hole of extended nozzle

實驗使用進(jìn)氣口與緯紗入口的距離d為 30 mm，進(jìn)氣口噴射角度β為10°的延伸噴嘴，設(shè)定最后1個輔噴嘴出口到延伸噴嘴緯紗入口的距離L為60 mm。測得無延伸噴嘴的引緯末端軸向氣流速度與有延伸噴嘴的末端軸向氣流速度對比如圖11所示?？梢钥闯觯簾o延伸噴嘴時，引緯末端軸向氣流最大速度為80.3 m/s，平均速度為 46.4 m/s；放置延伸噴嘴后末端氣流最大速度可達(dá)112.1 m/s，平均速度為81.2 m/s；因此，放置延伸噴嘴可使引緯末端氣流速度得到顯著提升，有效提高了引緯末端的氣流牽引力，可改善引緯末端氣流場。

圖11 引緯末端沿軸線氣流速度Fig.11 Axial airflow velocity at the end of weft insertion

5 結(jié) 論

本文分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的噴氣織機(jī)延伸噴嘴導(dǎo)紗管內(nèi)氣流場特性，并進(jìn)行實驗驗證得出以下結(jié)論。

1)最后一個輔噴嘴出口到延伸噴嘴緯紗入口的距離L應(yīng)為60 mm左右，此時導(dǎo)紗管內(nèi)獲得最大的氣流速度，有利于延伸噴嘴對緯紗的拉伸牽引，距離太大或者太小都會導(dǎo)致導(dǎo)紗管內(nèi)軸向氣流速度減小，致使?fàn)恳Σ蛔恪?/p>

2)延伸噴嘴氣流入口與緯紗進(jìn)口的距離d應(yīng)為30 mm左右，此時導(dǎo)紗管內(nèi)氣流速度整體提升較大，且在短距離內(nèi)無較大波動，氣流場較穩(wěn)定。

3)延伸噴嘴進(jìn)氣口噴射角度β為10°左右時，氣流速度徑向分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，氣流場的穩(wěn)定性相對較好，有利于延伸噴嘴對緯紗的拉伸牽引。

4)延伸噴嘴可使引緯末端氣流速度得到顯著提升，有效提高引緯末端的氣流牽引力，改善引緯末端氣流場，有利于緯紗的引緯運動。