張 亮, 馮志華, 張曉飛, 劉 帥
(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 江蘇 蘇州 215021)
噴氣織機(jī)輔助噴嘴與異形筘結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響
張 亮, 馮志華, 張曉飛, 劉 帥
(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 江蘇 蘇州 215021)
為深入理解輔助噴嘴引緯流場(chǎng)特性以及相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響作用,以便為引緯工藝的改善提供參考,根據(jù)實(shí)際引緯情形建立輔助噴嘴與異形筘組合流場(chǎng)模型。利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent對(duì)組合流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,得到組合流場(chǎng)射流中心線上的速度分布,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性。以此為基礎(chǔ),探究異形筘下唇傾角以及輔助噴嘴噴孔與異形筘壁的距離對(duì)組合流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明:輔助噴嘴組合流場(chǎng)出口速度的實(shí)驗(yàn)值小于數(shù)值模擬值,但二者整體上具有較好的一致性。供氣壓力為0.3 MPa和0.4 MPa時(shí),異形筘下唇傾角為12°和3°時(shí)的氣流速度為最優(yōu),同時(shí)輔助噴嘴噴孔與異形筘壁間的合適距離為9 mm與10 mm。
輔助噴嘴; 異形筘; 數(shù)值模擬; 流場(chǎng); 噴氣織機(jī)
在異形筘式噴氣織機(jī)上,緯紗飛進(jìn)梭口依靠主噴嘴正確輸送至異形筘槽,再由若干組輔助噴嘴以接力的方式送過(guò)梭口[1]。由此可見(jiàn),對(duì)輔助噴嘴與異形筘組合流場(chǎng)的研究能加深對(duì)輔助噴嘴引緯過(guò)程的認(rèn)識(shí)。目前,關(guān)于組合流場(chǎng)的研究主要集中在對(duì)筘槽內(nèi)氣流狀態(tài)的分析方面,如通過(guò)測(cè)量筘槽內(nèi)氣流分布來(lái)說(shuō)明流場(chǎng)的形成機(jī)制[2],研究射流交角與相鄰輔助噴嘴的間距對(duì)筘槽內(nèi)氣流的影響[3]以及不同供氣壓力、測(cè)點(diǎn)位置和噴向角對(duì)引緯氣流的影響[4-5]等。此外,文獻(xiàn)[6]利用高速攝像系統(tǒng)與氣壓測(cè)試裝置驗(yàn)證了筘槽內(nèi)引緯流場(chǎng)中的緯紗呈螺旋飛行狀態(tài),且存在波動(dòng)現(xiàn)象。蘇州大學(xué)也做了較多相關(guān)研究,包括主噴嘴引緯流場(chǎng)的分析以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建[7-8]、一種新型主噴嘴結(jié)構(gòu)[9]以及輔助噴嘴引緯流場(chǎng)特性研究[10-11],從緯紗牽引角度對(duì)引緯流場(chǎng)性質(zhì)描述[12-13]等。
本文運(yùn)用Fluent軟件對(duì)輔助噴嘴與異形筘組合流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,首先得到中心線流速分布,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證,結(jié)果證明數(shù)值模擬是可行的,能夠反映引緯流場(chǎng)的規(guī)律和性質(zhì)。隨后探究了異形筘下唇傾角與輔助噴嘴孔眼與異形筘槽壁的距離對(duì)組合流場(chǎng)的影響,以期為輔助噴嘴引緯工藝的改善提供參考。
1.1 輔助噴嘴組合流場(chǎng)結(jié)構(gòu)
本文以圖1所示的輔助噴嘴和異形筘實(shí)物為原型,根據(jù)其尺寸設(shè)計(jì)組合流場(chǎng)三維模型用于數(shù)值模擬,并利用其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。
圖1 輔助噴嘴和異形筘實(shí)物
1.2 輔助噴嘴組合流場(chǎng)模型
利用Pro/E三維軟件建立輔助噴嘴與異形筘組成的組合流場(chǎng)三維模型,由于異形筘是由多個(gè)筘片組合而成,筘齒間有一定的間隙,因此,按照異形筘標(biāo)準(zhǔn)建立的模型較為復(fù)雜,其網(wǎng)格劃分難度大,且網(wǎng)格數(shù)量多,不易于數(shù)值模擬,故參照文獻(xiàn)[8],將異形筘表面當(dāng)作壁面處理,并忽略其筘齒間隙,這樣可減少數(shù)值運(yùn)算的復(fù)雜程度,且不影響數(shù)值模擬結(jié)果。最終所建輔助噴嘴組合流場(chǎng)模型如圖2所示。
由于輔助噴嘴射流中心線存在一定偏角,因而較難確定其射流中心線速度,故本文以輔助噴嘴噴孔幾何中心每5 mm間隔作為度量,再將不同截面的最大射流速度擬合成射流中心線速度分布,結(jié)果如圖3所示。
圖3 輔助噴嘴組合流場(chǎng)模型結(jié)構(gòu)
2.1 輔助噴嘴組合流場(chǎng)數(shù)值模擬
運(yùn)用Fluent軟件對(duì)輔助噴嘴組合流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬前,需要對(duì)三維流場(chǎng)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通過(guò)專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件Hypermesh處理得到網(wǎng)格模型,如圖4所示。最后將其導(dǎo)入Fluent中求解計(jì)算,具體參數(shù)設(shè)置參考文獻(xiàn)[10]。
圖4 輔助噴嘴組合流場(chǎng)有限元模型
2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理及設(shè)備
根據(jù)Bernoulli方程,得到總壓與靜壓之差(即動(dòng)壓),便可求出氣流速度,本文實(shí)驗(yàn)利用畢托管測(cè)出相應(yīng)壓差,通過(guò)CYR-2D差壓變送器輸入到INV306采集儀中,再由DASP V10進(jìn)行信號(hào)采集和數(shù)據(jù)分析,可得到總壓與靜壓之差,再由下式獲得氣流速度:
式中:k為畢托管修正系數(shù);ρ為氣流密度,kg/m3;p為測(cè)得的總壓與靜壓之差,Pa。
本文實(shí)驗(yàn)所采用的測(cè)試裝置如圖5所示。
圖5 輔助噴嘴組合流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置
2.3 模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較
本文對(duì)0.2、0.3、0.4 MPa供氣壓力下的輔助噴嘴組合流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試,得到射流中心線速度分布曲線,如圖6所示。
圖6 組合流場(chǎng)射流中心線上的速度分布
由圖6(a)可知,當(dāng)供氣壓力為0.2 MPa時(shí),出口最大速度模擬值為300 m/s,實(shí)驗(yàn)測(cè)試值為282 m/s;由圖6(b)可知,當(dāng)供氣壓力為0.3 MPa時(shí),出口最大速度模擬值為379 m/s,實(shí)驗(yàn)測(cè)試值為339 m/s;由圖6(c)可知,當(dāng)供氣壓力為0.4 MPa時(shí),出口最大速度模擬值為406 m/s,實(shí)驗(yàn)測(cè)試值為344 m/s。畢托管尺寸在一定程度上影響流場(chǎng)的流動(dòng)特性,特別在靠近出口處,且輔助噴嘴噴口直徑較小,因而導(dǎo)致出口速度實(shí)驗(yàn)測(cè)試值小于數(shù)值模擬值,其差值隨供氣壓力增大而變大。同時(shí)也在一定程度上影響了輔助噴嘴近距離流場(chǎng)的變化,從而導(dǎo)致近距離速度誤差較大。根據(jù)圖6可知,在3種供氣壓力下,二者速度曲線雖然存在一定差距,但是速度總體衰減趨勢(shì)仍能夠較好地吻合,因此在一定程度上說(shuō)明,利用Fluent軟件對(duì)輔助噴嘴組合流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬具有一定的可行性和合理性。
本文在通過(guò)Fluent軟件進(jìn)行輔助噴嘴組合流場(chǎng)模擬的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了異形筘下唇傾角和輔助噴嘴噴孔與異形筘壁的距離對(duì)輔助噴嘴組合流場(chǎng)的影響。
3.1 異形筘下唇傾角的影響
異形筘結(jié)構(gòu)如圖7所示。通常異形筘的上唇水平,而下唇因不同產(chǎn)品型號(hào)或廠家有著不同的傾角。雖然從減少氣流擴(kuò)散角度來(lái)講,下唇傾角為0°時(shí)較為適宜,但是不同下唇傾角會(huì)對(duì)輔助噴嘴組合流場(chǎng)的氣流速度產(chǎn)生影響。
圖7 異形筘結(jié)構(gòu)
目前,常見(jiàn)的異形筘的下唇傾角最大一般為12°[1],故本文分別研究了傾角為0°、3°、6°、9°、12°這5種不同角度對(duì)組合流場(chǎng)氣流速度的影響,通過(guò)對(duì)0.3、0.4 MPa供氣壓力下的數(shù)值模擬,得到氣流速度分布曲線,如圖8所示。
圖8 不同下唇傾角的氣流速度曲線
由圖8(a)可得,在供氣壓力為0.3 MPa下,不同傾角的氣流速度曲線的變化趨勢(shì)大致相同。傾角為12°時(shí),其氣流速度達(dá)到最佳,其次為3°;傾角為9°時(shí),其氣流速度達(dá)到最差,尤其在前半段距離上的速度遠(yuǎn)低于其余4種情形;傾角為0°與傾角為6°的氣流速度分布較為相似,且二者氣流速度良好。
由圖8(b)可得,在供氣壓力為0.4 MPa下,傾角為0°、3°和6°時(shí),3種情形下的氣流速度衰減趨勢(shì)大致相同,其中傾角為3°時(shí)的氣流速度相對(duì)最佳,而傾角為6°時(shí)最差;傾角為12°時(shí),其氣流速度在前半段距離內(nèi)表現(xiàn)最優(yōu),但后半段氣流速度遠(yuǎn)低于其余4種情形;傾角為9°時(shí),其氣流速度在大于65 mm距離上較為突出,但在前段距離內(nèi)的氣流速度遠(yuǎn)小于其他4種情形。
3.2 輔助噴嘴與異形筘壁距離的影響
圖9示出輔助噴嘴實(shí)際引緯的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。包括輔助噴嘴、異形筘以及由上下經(jīng)紗層形成的梭口。其中,輔助噴嘴相對(duì)于異形筘的安裝距離對(duì)引緯氣流有著重要影響,合適的距離能夠較好地保證引緯質(zhì)量。
圖9 輔助噴嘴與異形筘間的距離
本文以輔助噴嘴噴孔中心到異形筘壁的距離為研究對(duì)象,分析了8、9、10、11、12 mm這5種不同距離對(duì)組合流場(chǎng)氣流速度的影響,通過(guò)對(duì)0.3、0.4 MPa供氣壓力下進(jìn)行數(shù)值模擬得到氣流速度分布曲線,如圖10所示。
圖10 不同距離下的氣流速度曲線
由圖10(a)可知,在供氣壓力為0.3 MPa下,總體呈現(xiàn)出氣流速度隨安裝距離減小而增大的趨勢(shì)。距離為11 mm和12 mm時(shí),由于輔助噴嘴離異形筘較遠(yuǎn),其氣流速度相對(duì)較差,尤其在50 mm距離內(nèi)的速度遠(yuǎn)低于其他3種情形;距離為10 mm時(shí),其氣流速度雖好于距離為11 mm和12 mm時(shí)的情形,但是相對(duì)于距離為8 mm和9 mm的情形仍有一定的差距;距離為8 mm和9 mm時(shí),二者氣流速度曲線重合度較高,性能較為接近,但是在8 mm的距離下,中心速度曲線過(guò)于靠近筘槽壁,不利于引緯,因此,距離為9 mm相對(duì)好于8 mm。
由圖10(b)可知,在供氣壓力為0.4 MPa下,氣流速度變化趨勢(shì)隨安裝距離減小而增大,但在后半段距離上不同安裝距離的氣流速度的差距相對(duì)較小。距離為11 mm和12 mm時(shí),隨著供氣壓力增大,其氣流速度與其余3種情形的差距也增大;距離為8 mm和9 mm時(shí),二者氣流速度好于其余情形,雖然距離為9 mm的速度略低于8 mm時(shí),但能較好地保證緯紗通過(guò)筘槽;距離為10 mm時(shí),其氣流速度介于最好與最差之間。
1)輔助噴嘴組合流場(chǎng)的實(shí)際出口速度低于數(shù)值模擬值,其差值在供氣壓力較大時(shí)較為明顯,但二者的總體變化趨勢(shì)一致。
2)供氣壓力為0.3 MPa時(shí),下唇傾角為12°下的氣流速度相對(duì)最優(yōu);供氣壓力為0.4 MPa時(shí),下唇傾角為3°下的氣流速度相對(duì)最優(yōu)。
3)供氣壓力為0.3、0.4 MPa時(shí),輔助噴嘴噴孔中心到異形筘壁的距離為9 mm下的氣流速度相對(duì)最優(yōu);距離為10 mm下的氣流速度相對(duì)穩(wěn)定。
4)利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent對(duì)輔助噴嘴組合流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬具有一定的可行性和合理性,其結(jié)果值得參考。
FZXB
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Influence of auxiliary nozzle and profiled reed in air-jet loom on flow field
ZHANG Liang, FENG Zhihua, ZHANG Xiaofei, LIU Shuai
(CollegeofMechanicalandElectricEngineering,SoochowUniversity,Suzhou,Jiangsu215021,China)
In order to deeply understand the properties of weft insertion flow field of auxiliary nozzle and the effects of correlative structure parameter,and further provide basis for improving the craftwork of weft insertion, the flow field model of a combination of auxiliary nozzle and profiled reed is built according to the actual condition of weft insertion. The numerical simulation is carried out by the computational fluid dynamics software called Fluent. The velocity distribution curve of the combinational flow field centerline is obtained and the rationality of numerical simulation is verified by experiment. On this basis, further research about the effect of the underlip obliquity of profiled reed and the distance between auxiliary nozzle and profiled reed on the combinational flow field is implemented. The results showed that experimental velocity is lower than simulative velocity at the outlet of auxiliary nozzle, but they are in good agreement as a whole. When the air supply pressure is 0.3 MPa and 0.4 MPa, the air velocity performance of 12 degrees and 3 degree of the underlip obliquity is optimal, respectively. Moreover, the suitable distance between auxiliary nozzle and profiled reed is 9 mm or 10 mm.
auxiliary nozzle; profiled reed; numerical simulation; flow field; air-jet loom
10.13475/j.fzxb.20150904006
2015-09-18
2016-03-27
張亮(1990—),男,碩士生。研究方向?yàn)樾滦图徔棛C(jī)械、機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為及其控制。馮志華,通信作者,E-mail:zhfeng@suda.edu.cn。
TS 101.2
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