喷气织机辅助喷嘴的气流场仿真

赫森奥，陈昊思，肖福礼，朱晨辉，李梦娇，李宇坤

（1.西安工程大学机电工程学院，陕西 西安 710600；2.陕西省计量科学研究院，陕西 西安 710100）

0 引言

辅助喷嘴是喷气织机的关键零部件，其性能影响了喷气织机的性能及耗气量[1]。为了分析不同类型辅助喷嘴的结构与气流之间的相互影响，通过建立辅助喷嘴的结构模型，采用Fluent 软件对不同结构的辅助喷嘴进行气流场仿真，旨在进一步优化辅助喷嘴结构，提高喷气织机性能及节能降耗。

国内外研究学者在提升辅助喷嘴的性能方面进行了深入研究。马建鑫等[2]通过建立不同锥度下的辅助喷嘴流场模型，分析了喷孔锥度与出口处射流速度呈正相关的关系。胥光申等[3]提出了综合评价喷嘴性能的方法，解决不同参数对喷嘴性能影响。谭保辉等[4]利用CFD 软件对辅助喷嘴流场进行数值模拟，分析了供气压力与出口风速之间的关系。Belforte 等[5]对不同类型的辅助喷嘴进行实验测试，研究单圆孔辅助喷嘴的集束性。周浩邦等[6]通过实验分析，验证了圆孔辅助喷嘴的引纬速度与辅助喷嘴间距的关系。Tacibaht[7]通过分析气流及参数对引纬的影响，建立了喷气织机中空气-纱线相互作用关系。殷俊清等[8]在分析多圆孔辅助喷嘴结构参数灵敏度的基础上，确定了喷孔直径、位置、孔心距与最大出口速度的关系。肖世超等[9]通过数值模拟与实验分析，验证了阵列式多孔辅喷射流汇入异形筘组合流场核心速度区域更长、集束性更好的特点。

1 辅助喷嘴的作用分析

如图1（a）所示的喷气织机的引纬系统，辅助喷嘴的作用是喷射出高速气流，在异形筘内通过气流带动纱线到达探纬器处完成引纬，辅助喷嘴的喷孔数量及其分布会影响喷嘴所喷射气流，进而影响引纬性能。常见的喷嘴孔口分布类型如图1（b）所示，型号命名分别为2KA2、2KB2 和2KC2。其中2KA2 为圆孔，2KB2、2KC2 为不规则圆孔。

1—筒子；2—纬纱；3—定长储纬器；4—导纱器；5—固定主喷嘴；6—摆动主喷嘴；7—剪刀；8—异形筘；9—辅助喷嘴；10—第一探纬器；11—第二探纬器；12—经纱；13—织物。图1 喷气织机上的辅助喷嘴

2 辅助喷嘴的气流场仿真

（1）气流场建立

气流通过辅助喷嘴时，所形成的气流场包括如图2 所示的内流场和外流场，采用三维建模软件Solid-Works 建立辅助喷嘴气流场模型，外部流场是直径为17 mm、长度为70 mm 的圆柱体空间。由图2 可知，气流场成对称分布。

图2 气流场三维模型

（2）设置边界与网格划分

采用ANSYS 的DM 程序提取出气体流域，如图3（a）所示，根据实际需要设置压力入口、压力出口、对称面和壁面等四类边界。通过ANSYS 的MESH 程序划分气流场网格如图3（b）所示，网格划分质量为Fine，网格全部采用自由四面体，使用局部体加密网格生成网格数量约为25 万个，再导入Fluent 中求解。

图3 边界设置与网格划分

（3）求解器设置

采用压力基求解器计算，采用SIMPLEC 分离算法，通量类型选择RHIE CHOW，其他参数选用默认设置。黏性模型采用k-ε 双方程的RNG 模型。流体使用理想气体，初始化方式采用混合初始化，迭代500 次。

（4）气流场的仿真

喷气织机的辅助喷嘴实际生产中供气压力在0.3 ～0.4 MPa 范围之内，采用Fluent 软件在0.3 MPa 的压力条件下，辅助喷嘴进行气流场仿真，得到如图4 所示的2KA2、2KB2、2KC2 等3 种类型辅助喷嘴在对称面上的速度云图。

图4 不同类型辅助喷嘴速度云图

由于外流场区域内的射流（以下简称为外射流）参与筘槽的引纬动作，因此需要对外射流的分布进行分析。观察速度云图可知，喷射出的气流分布规则，外流场内的气流稳定，具备引纬的基本要求。

3 仿真结果分析

3.1 评价指标

实际生产要求辅助喷嘴在具有较好性能的同时，最大程度的减少耗气量。因此辅助喷嘴的性能指标主要是喷嘴的最大出口速度、耗气量和射流中心线上的速度衰减。同时为综合评价辅助喷嘴的性能，采用综合指标K（速度积分/耗气量）来量化评价[10]。

（1）最大出口速度

在外流场内，辅助喷嘴经过喷孔喷出气流的最大速度为最大出口速度，该数值越大，表征辅助喷嘴对纬线的控制与约束能力越强，反之，则越弱。

（2）耗气量

耗气量是单位时间内辅助喷嘴所消耗的气体体积，该数值越大，表征对能源的消耗越大，反之，则越小。

（3）射流中心线上的速度衰减曲线

由于气流与流场域内部本身气流碰撞、摩擦，将导致气流流速迅速衰减。通过速度衰减曲线表征辅助喷嘴的喷气性能，该数值越大，射流中心线上的整体气流速度越大，气流的集束性也就越好；反之，则越差。

（4）综合指标K

该参数是结合速度积分和耗气量的一个可量化的评价指标，综合指标K 的数值越大，辅助喷嘴的综合性能也就越强，反之，则越差。

3.2 仿真结果分析

为了评价2KA2、2KB2、2KC2 三种类型的辅助喷嘴的性能，采用Fluent 软件进行仿真分析，通过四种评价指标来评定辅助喷嘴的性能。

（1）最大出口速度

采用Fluent 软件的后处理功能获得不同辅助喷嘴的最大出速度见表1。

表1 辅助喷嘴的最大出口速度

由表1 可知，在总出口面积相同、供气压力0.3 MPa条件下，3 类辅助喷嘴的最大速度均超过了400 m/s，属于超音速气流，其中2KB2 型的速度最大，2KB2 和2KC2 型都超过2KA2 型，说明不规则圆孔的喷孔的孔口形式有助于延长气流喷射距离。

（2）射流中心线速度分布

在供气压力0.3MPa 条件下，得到的不同类型辅助喷嘴的速度衰减曲线如图5 所示。

图5 射流中心线速度衰减曲线

由图5 可知，在射流中心线上，气流速度达到最大值后逐渐减小。在距离喷孔不到5 mm 处是射流速度最大的位置；气流能达到的最远位置为距离喷口约70 mm 处；2KB2 型辅助喷嘴的射流中心线整体在其余两者之上，其气流集束性更佳，提高射流的整体速度，增强气流对纬线的控制；2KB2 和2KC2 型的射流中心线衰减曲线基本高于2KA2，说明不规则圆孔的孔口形式可以提升射流中心线上的气流速度，增加气流集束性。

（3）耗气量

不同类型辅助喷嘴的耗气量见表2，在相同喷口面积、供气压力为0.3 MPa、喷孔数量相同时，喷孔的排布方式对耗气量的影响较小；其中，2KC2 型辅助喷嘴的耗气量最小。

表2 耗气量

（4）综合指标K

不同类型的辅助喷嘴的速度积分、耗气量的基础上得到综合指标K 见表3。

表3 综合指标

由表1 可知，2KB2 型辅助喷嘴K 值明显超过其余两者，说明2KB2 辅助喷嘴综合性能最佳；不规则圆孔的下的辅助喷嘴的K 值均超过规则双圆孔，说明不规则圆孔可以提升喷嘴的综合性能。

综合上述4 个评价指标，三种类型辅助喷嘴耗气量基本相同，但是2KB2 型辅助喷嘴在最大出口速度、综合指标K 及速度衰减曲线等方面优于2KA2、2KC2 两型号。因此2KB2 型辅助喷嘴性能更佳，同时不规则圆孔的喷口形式有助于提升辅助喷嘴的整体性能。

4 结语

为了分析喷孔排布方式对喷气织机辅助喷嘴的性能的影响，建立了不同类型辅助喷嘴的流场模型，采用Fluent 软件对不同类型的辅助喷嘴进行了气流场的仿真，得到了3 种喷孔排布方式的辅助喷嘴的速度云图，对这3 种辅助喷嘴的最大出口速度、耗气量、射流中心线上的速度衰减及综合指标K 进行量化评价，发现最优的喷嘴类型是2KB2 型；同时，发现不规则圆孔相比等大圆孔的喷孔形式可以提升辅助喷嘴的最大出口速度、射流中心线衰减曲线和综合指标K 值。