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  • 喷气织机主喷嘴导纱管改进构型的性能分析

        喷气织机引纬是借助高速气流对纬纱产生的摩擦力,把具有一定质量处于静止状态的纬纱迅速加速,使其在气流场的输送作用下飞越梭口。主喷嘴作为喷气织机的重要部件,其结构和工艺参数是喷气引纬中最重要的因素,直接影响织机生产速率和产品质量、生产成本等,因此学者们对主喷嘴开展了大量的研究工作。

    ISHIDA等[1,2]和KIM等[3]研究了主喷嘴供气压力大小和导纱管长度对内流场气流静压分布及速度大小的影响。JEONG等[4]通过改变导纱管长度和直径,进行主喷嘴的结构设计。陈亚威等[5]、路翔飞等[6]分别采用实验法、CFD方法对主喷嘴纬纱牵引力进行了测试和计算。薛文良等[7]采用CFD方法分析了不同供气压力下主喷嘴内流场气流参数分布,金玉珍等[8]、张科[9]分析了主喷嘴不同结构参数对流场特性的影响,G.Belforte等[10]进行了气流对纬纱牵引力的数值模型研究。这些研究一定程度上能够用于指导主喷嘴结构的设计,但是都局限于对常规构型的研究,对主喷嘴构型的改进研究很少。陈亮等[11]设计了一种新型主喷嘴构型,该构型有两个整流室,虽然能够有效减弱紊流甚至消除回流现象,但是两个整流室使得主喷嘴结构过于复杂。

    导纱管作为主喷嘴的加速段,其长度、结构形状等对主喷嘴出口气流速度影响很大,因此研究不同构型导纱管对气流的加速性对提高主喷嘴出口纬纱速度意义重大。基于此,本文提出几种不同的导纱管构型,并通过主喷嘴内流场特性分析,研究几种新型导纱管对气流的加速特性,通过对比分析得到加速性更好的导纱管构型,力求提高喷气织机主喷嘴的加速性,降低耗气量。

    1 主喷嘴结构和工作原理

    本文研究的主喷嘴采用ZA型主喷嘴[7](图1),该主喷嘴由喷嘴芯、喷嘴体和导纱管组成,喷嘴内流道则由空气加速区、纬纱引纬区和纬纱加速区组成。引纬时,由主气包来的高压气流从供气气流入口进入主喷嘴,经环形气室及整流槽后,气流由高速涡流变为沿轴线方向的直流,整流后的气流经亚音速加速区,通过锥形套以快速提高气流速度,亚音速气流经过喉部,在喉部出口处达到或超过当地音速。当此高速气流进入纬纱引射区时,当地气流静压已小于大气压,形成负压区,外界大气携纬纱经引纬流道进入导纱管,经过纬纱加速区,高速气流在导纱管内与纬纱充分作用,使纬纱达到引纬所需的速度。


    由主喷嘴工作原理可知,主喷嘴内部流体流动特性非常复杂。狭小的内部流道内,在气室存在高压涡流,在整流槽内有气固两项相互作用,在引射区有高低速气流的混合等。气流经整流、加速、混合后,最终在导纱管内进行最后的加速,在导纱管出口达到引纬所需速度。因此进入导纱管的气流状态,特别是气流的速度高低,对导纱管长度、形状、截面大小等都有不同的要求,这些结构信息又反过来对气流加速性影响很大,故本文将具体研究几种导纱管构型对主喷嘴气流的加速性能。

    2 几种改进的导纱管构型方案

    传统导纱管均采用圆柱形,而根据拉瓦尔喷管(图2)原理,当气流为亚音速时,遵循“流体在管中运动时,截面小处流速大,截面大处流速小”的原理,即气流流经收缩段时不断加速;当气流为跨音速时,则是截面越大,流速越快。因此,本文根据拉瓦尔喷管原理设计几种新的导纱管构型,如图3所示为三种导纱管构型示意。

    构型一:渐扩型加速区;构型二:渐缩型加速区;构型三:(渐缩型管段+圆柱形管段)加速区。


    构型一的渐扩型导纱管G.Belforte等在文献[10]中提过,根据拉瓦尔喷管原理,如果气流在引射区达到跨音速,则流经该构型导纱管加速段,气流会不断加速。对于构型二和构型三,当气流进入纬纱引射区为亚音速,则流经该两种构型导纱管加速段,气流会不断加速,且构型三有等面积整流段,能够使气流平行流出导纱管,理论上有助于和辅喷嘴喷射气流的汇合。综上,本文通过数值模拟来具体分析三种构型对气流的加速性。

    3 改进的导纱管构型性能分析

    3.1 分析建模

    三种构型的导纱管研究,是以整个主喷嘴为研究对象展开的。因为主喷嘴为面对称构型,因此仅取其一半进行研究,以减少分析计算时间。三种导纱管构型几何参数如表1所示,导纱管入口端直径均一致,便于不同构型间性能对比分析。此外,为确定改进构型导纱管性能提升情况,对基准构型的导纱管也进行了性能计算(表1)。

     

    本文基于Solidworks软件建立主喷嘴三维模型,如图4所示。网格划分是流场分析非常重要的一环,网格质量差,在流场分析时将难以捕获到气流真正流动状态,因此本文采用ICEM软件划分网格时,考虑到主喷嘴内部结构的复杂性,采用非结构网格,并在气流整流区等复杂区域进行了局部网格加密。此外,为了更真实地模拟主喷嘴流场的真实情况,压力入口和出口都进行了延长,以符合在纬纱入口处有外界大气流入,在导纱管出口处有主喷嘴内部气流流出。其划分好的网格如图5所示。


    流体力学模拟分析采用Fluent软件,网格边界条件包括两个压力入口(Pressure inlet,一个为供气压力入口、一个为纬纱入口),一个压力出口(Pressure outlet,导纱管出口),一个对称面(Symmetry)和一个壁面(Wall)边界条件。压力入口、出口的参数设置方法参考文献[9],计算模型选择模拟湍流最准确的k-ωSST模型,分别分析供气压力取0.2、0.3、0.4 MPa和0.5 MPa时几种构型的性能。

    3.2 结果分析

    主喷嘴设计以提高纬纱飞行速度为主要目标,因此以导纱管出口气流平均速度大小为分析因素,其仿真结果如图6所示。

    分析图6可得:1)构型三在0.2~0.5 MPa供气压力下的出口气流速度均大于基准构型,且增加幅度随着供气压力增大从11%~2%内变化;构型二在0.2~0.4MPa供气压力范围内的出口气流速度均大于基准构型,增幅从22.5%~0.8%内变化,在0.5 MPa供气压力下速度则降低2.1%;构型一在0.2~0.4 MPa供气压力范围内的出口气流速度均小于基准构型,其减幅从23%~8.8%,只在0.5 MPa供气压力下增大12.9%。根据拉瓦尔喷管加速原理可知:供气压力在0.2~0.4 MPa时,构型二和构型三的主喷嘴内流场气流在纬纱引射区与从主喷嘴入口进来的气流混合后为亚音速气流,因此,流经收缩型加速区后流速迅速增大,即构型二和构型三在该供气压力范围内对气流加速性更好。当供气压力为0.5 MPa时,构型一出口气流速度最高,说明此时气流在纬纱引射区为跨音速,经过扩张型加速区后流速增加,故构型一在供气压力0.5MPa时对气流的加速性最好。2)随着供气压力的增大,几种导纱管出口气流速度均呈增大趋势,这是因为:主喷嘴对纬纱的加速是靠主喷嘴内外压强差实现的。压强差越大,气流流速越急,对纬纱的作用力越大,纬纱的飞行速度越大。故供气压力越高,主喷嘴出口处气流速度越高,但是气流消耗量也越大,织造成本也越高。因此,供气压力并非越大越好,一般取0.3 MPa左右。


    综上所述,构型二和构型三性能都较基准构型和构型一有所提高,构型三出口气流速度更高。且构型三为渐缩管段和圆柱形管段组合的导纱管构型,不但加速性好,其圆柱段还能够对气流进行一定的整流作用,使得气流平行喷出主喷嘴,有助于和辅助喷嘴喷射的气流进行汇合,因此是性能更好的一种构型。

    3.3 导纱管构型三性能详细分析

    既然构型三性能更好,那么其渐缩管段和圆柱形管段长度值分配不同时对导纱管出口气流速度又有何影响?现做进一步的分析研究。

    导纱管总长200 mm不变,分析当渐缩管段长度分别取0、50、100、150 mm和200 mm时导纱管出口气流速度。采用Fluent软件进行数值模拟仿真,得到不同情况下导纱管出口气流速度,不同曲线表示在不同供气压力条件下的计算结果,如图7所示。

    分析图7可得,在0.3~0.5 MPa供气压力内,随着渐缩管段长度的增加,导纱管出口气流速度均呈现先增大再减小的趋势,即导纱管渐缩段长度存在一个极值,使得出口气流速度最大,该值在150 mm左右。同时图7也进一步说明供气压力越大,导纱管出口气流速度越高,且基准构型(对应渐缩管段长度0 mm)和构型二(对应渐缩管段长度200 mm)对气流的加速性均不如构型三好。


    4 结论

    本文对几种构型导纱管对气流的加速性进行了分析研究,认为渐缩型和渐缩型管段加圆柱形管段两种构型的导纱管对气流加速性都有提高,特别是渐缩型管段加圆柱形管段这种导纱管,既实现了更好的加速性,其圆柱段还能够对气流进行一定的整流作用,有助于和辅助喷嘴喷射的气流进行合并。随着渐缩管段长度的增加,出口气流速度先增大,随后又逐渐减小,因此渐缩管段长度存在一个极值,使得导纱管出口气流速度最高,该极值可以通过优化手段分析得到。

     

     

    参考文献

    [1]ISHIDA M,OKAJIMA A.Flow characteristics of an air-jet loom with a modified reed and auxiliary nozzles(part 1):flow in a main nozzle[J].Journal of the Textile Machinery Society of Japan,1991,44(4):43-54.

    [2]ISHIDA,M,OKAJIMA A.Flow characteristics of an air-jet loom with a modified reed and auxiliary nozzles(part 2):measurements of a highspeed jet flow from a main nozzle and a weft traction force[J].Journal of the Textile Machinery Society of Japan,1992,45(12):65-77.

    [3]KIM,S D,SONG D J.A numerical analysis of transonic/supersonic flows in the axisymmetric main nozzle of and air-jet loom[J].Textile Research Journal,2001,71(9):783-790.

    [4]JEONG,S Y,KIM,K H,CHIO J H.Design of the main nozzle with different acceleration tube and diameter in an air-jet loom[J].International Journal of Precision Engineering and Manufacturing,2005,6(1):23-30.

    [5]陈亚威,沈毅.喷气织机主喷嘴纬纱牵引力的测试与分析[J].浙江理工大学学报,2007,24(3):238-242.CHEN Yawei,SHEN Yi.Test and analysis of weft force for air-jet loom’s main nozzle[J].Journal of Zhejiang Sci-Tech University,2007,24(3):238-242.

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    [7]薛文良,魏孟媛,陈革.喷气织机主喷嘴内部流场的数值计算[J].纺织学报,2010,31(4):124-127.XUE Wenliang,WEI Mengyuan,CHEN Ge.Numerical simulation of flow field in main nozzle of air jet loom[J].Journal of Textile Research,2010,31(4):124-127.

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    [9]张科.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[D].苏州:苏州大学,2010.ZHANG Ke.Based on CFD Analysis of Weft Insertion Flow of the Main Nozzle in an Air-jet Loom and the Optimization of Local Structure Parameter[D].Suzhou:Soochow University,2010.

    [10]BELFORTE G,MATTIAZZO G,VIKTOROV V,et al.Numerical model of an air-jet loom main nozzle for drag forces evaluation[J].Textile Research Journal,2009,79(18):1664-1669.

    [11]CHEN L,FENG Z.Numerical simulation of the internal flow field of a new main nozzle in an air-jet loom based on Fluent[J].Textile Research Journal,2015,79(18):1590-1601.

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