喷气织机辅助喷嘴流场特性与耗气量分析

张 敏， 王鸿博， 高卫东， 陈巧兰

(1. 生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122；2. 江南大学 江苏省功能纺织品工程技术研究中心， 江苏 无锡 214122)

喷气织机辅助喷嘴流场特性与耗气量分析

张 敏1,2， 王鸿博1,2， 高卫东1,2， 陈巧兰1,2

(1. 生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122；2. 江南大学 江苏省功能纺织品工程技术研究中心， 江苏 无锡 214122)

为研究辅助喷嘴几何结构对喷嘴喷射效果及耗气量的影响，采用CFD软件Fluent对喷气织机辅助喷嘴流场进行数值模拟，获得了辅助喷嘴在不同供气压力、出口截面积、出口形状及喷射角下的纬纱飞行轴线气流速度分布。结果表明：随压力增大，射流速度的提升逐渐变弱，耗气量随压力呈正相关变化；喷嘴出口截面积影响射流速度和持续性，随截面积增加耗气量不断增大；截面积一定时，出口形状变化对筘槽内流场影响较小；纬纱飞行方向上气流速度及峰值位置随喷射角而变化，在实验范围内,喷射角越大耗气量越小，选择合适的辅助喷嘴和引纬工艺，是实现喷气织机高质低耗目标的关键。

喷气织机； 辅助喷嘴； 流场； 耗气量

“主喷嘴+异形筘+辅助喷嘴接力气流引纬”是新型喷气织机主要的引纬方式[1]。气流经主喷嘴整流加速使纬纱由静止加速到飞行速度，但其对纬纱的作用是暂时性的，只有依靠经辅助喷嘴喷出的高速气流与纬纱间产生的摩擦牵引力才能将纬纱顺利送过织口。辅助喷嘴结构性能的好坏直接影响喷气织机的引纬质量和织机能耗[2-3]，因此通过研究不同结构喷嘴的流场特性从而选择性能优良的喷嘴对提高织机效率至关重要。目前对于辅助喷嘴外流场的研究主要有理论分析、数值模拟以及实验测试3种方法[4]。理论方面由于没有建立完整的数学模型而不能详尽地表述流场流体流动的状态；通过实验测量辅助喷嘴的小孔径高速气流也具有相当难度[5]，尤其是对筘槽内纬纱飞行轴线上射流的测量更是难度极大，而且放于流场中的测量管也会对流场造成一定的干扰而导致测试结果具有较大误差；而利用CFD软件Fluent对喷气织机喷嘴的内、外部流场进行研究已经成为近几年的热点，相关研究人员也通过此方法获得了一系列重要的结论，证明了该方法的可行性和有效性[6-8]。

由辅助喷嘴喷出的高速射流扩散进入筘槽后与纬纱接触并与纬纱间产生摩擦牵引力，牵引纬纱飞过织口，因此讨论射流在筘槽内的分布情况更为实际。由于纬纱在筘槽内飞行时受到接连不断的辅助力，纱线头端与纱体速度不一致造成纬纱在引纬通道内波浪式起伏前进，因此本文在分析筘槽内纬纱飞行方向气流的分布情况时，假定纬纱是沿主喷嘴轴线方向在通道内呈直线状态飞行的[5]。本文利用Fluent软件对辅助喷嘴与异形筘的组合流场进行数值模拟，计算出筘槽内纬纱飞行轴线上气流的速度分布情况，分析了供气压力、出口截面积、出口形状及喷射角度对喷嘴外流场特性的影响，为辅助喷嘴的优化设计及引纬参数的选择提供参考。

1 辅助喷嘴流场数值模拟

1.1 流场模型建立

图1示出在SolidWorks中建立的单圆孔辅助喷嘴与异形筘的组合流场模型。考虑到在钢筘与上下层经纱构成的引纬通道中，气流主要在U形槽附近流动，在接近上下层经纱的地方气流速度几乎为0，因此建模时忽略上下层对气流速度及分布的影响，简化流场模型。其中：引纬通道总长度为90 mm，左侧通道出口距辅喷喷孔的距离为10 mm，右侧出口距离喷孔距离为80 mm。

建立三维模型时除辅助喷嘴喷孔直径、喷孔形状及喷射面倾角改变外，模型其他参数均保持一致。表1示出各辅助喷嘴的几何结构参数。图2示出各辅助喷嘴喷孔结构示意图。建立好的模型文件导入到Hypermesh中进行网格划分。为保证喷管头端及异形筘U形槽结构中曲面部分的网格能够很好地与几何面贴合，选择依照曲率划分的方法[9]，将组合流场模型的网格数量控制在150万左右。

表1 辅助喷嘴几何结构参数Tab.1 Geometry parameters of auxiliary nozzle

注：l为D形孔矩形部分边长；r为D形孔半圆部分半径。

1.2 流场数值模拟与分析

辅助喷嘴喷管内流场为可压缩黏性流体，外流场气流属于充分发展的高雷诺数的湍流，因此采用RNGk-ε双方程模型计算[10]。计算时设定喷嘴底部入口面为压力入口，模型中引纬通道右侧面为压力出口。

压缩空气经辅喷嘴加速后由喷孔射出，从较小速度迅速增加至峰值，射流进入筘槽后由于卷吸和扩散作用速度逐渐降低，衰减速率随喷嘴结构的变化而变化。数值计算完成后，利用Tecplot后处理软件提取引纬通道内纬纱飞行轴线上气流的运动规律，进行对比分析。

2 辅助喷嘴气流特性分析

根据模拟结果绘制纬纱飞行轴线气流速度曲线图，详细阐述不同供气压力、出口截面积、出口形状、喷射角度对辅助喷嘴流场的影响。

2.1 供气压力对辅喷嘴流场的影响

以单圆孔辅助喷嘴(Ⅱ型，喷射角为6°)为研究对象。改变喷嘴的供气压力，分别以0.2、0.3、0.4及0.5 MPa等4种水平进行数值计算，研究气压对辅助喷嘴流场的影响。图3示出不同供气压力下纬纱飞行轴线上气流速度的模拟值。

由图3可知，在不同的辅喷嘴供气压力下，纬纱飞行轴线上的气流速度随压力的增大而逐渐提升，衰减速度随之减缓。截取距喷嘴出口20～75 mm段气流速度并取平均值可得，0.2、0.3、0.4、0.5 MPa时纬纱飞行方向气流的平均速度分别为96、129、148、156 m/s，速度平均值增长率由34.58%逐渐减小到5.4%，说明当辅助喷嘴供气压力增加到一定值后，继续增加气压对进一步提升气流速度意义不大。

2.2 出口截面积对辅喷嘴流场的影响

以D形孔辅助喷嘴为研究对象，选择D型Ⅰ、D型Ⅱ、D型Ⅲ 3种工况的辅助喷嘴，对应出口截面积为SⅠ=1.165 3 mm2、SⅡ=1.469 3 mm2、SⅢ=1.644 8 mm2。设定喷嘴供气压力为0.3 MPa，研究出口截面积对辅助喷嘴流场的影响。图4示出不同出口截面积下纬纱飞行轴线上气流速度的模拟值。

由图4可知，纬纱飞行轴线上的气流速度随出口截面积的增大而逐渐增加，衰减速度随之减缓。D型喷嘴Ⅰ的气流速度下降最快，其最大速度也最小；D型Ⅲ在纬纱飞行方向上最大速度大于喷嘴Ⅱ，但其气流下降速度也快于Ⅱ型喷嘴。截取距喷嘴出口20～75 mm段的气流速度并取平均值可得，3种不同出口截面积喷嘴在纬纱飞行方向气流的平均速度为98、125、122 m/s，说明当辅喷嘴出口截面积增大时，能够提升筘槽内纬纱飞行方向气流的速度，进而增大气流与纬纱间的摩擦牵引力；但当截面积增加超过一定值时，气流平均速度出现负增长，同时气流衰减速率加快，不利于引纬的顺利进行。

2.3 出口形状对辅喷嘴流场的影响

以单圆孔(Ⅱ型)、16圆孔、D形孔(Ⅳ型)3种不同孔型的辅助喷嘴为研究对象。设定喷嘴出口截面积一致，为1.766 mm2，供气压力为0.3 MPa，喷孔的具体参数如表1所示。图5示出不同出口形状下纬纱飞行轴线上气流速度的模拟值。

由图5可知，在不同辅助喷嘴出口形状下，纬纱飞行轴线上的气流速度曲线差异较小，衰减速度也趋于相同。与其他孔型喷嘴相比较，单圆孔喷嘴气流速度的强度和延续性更强。截取距辅助喷嘴出口20～75 mm段的气流速度并取平均值可得，3种不同出口形状的辅助喷嘴在纬纱飞行方向气流的平均速度分别为132、126、123 m/s，速度差异较小，说明当辅助喷嘴出口形状改变时，对射入筘槽内引纬气流段速度的大小影响很小，但从气流的集束性以及引纬的稳定性方面考虑，单孔喷嘴集束性优于多孔和D型孔，基于较大的气流速度，单孔喷嘴对纬纱质量的要求也最为严格。

2.4 喷射角对辅喷嘴流场的影响

以4种不同喷射角的单圆孔辅助喷嘴为研究对象。设定辅喷嘴供气压力为0.3 MPa，喷射角为3°、6°、9°、12°。图6示出不同喷射角下纬纱飞行轴线上气流速度的模拟值。

由图6可知，当喷射角为3°时，纬纱飞行方向上气流最大值达到183 m/s，出现在距喷嘴出口40 mm左右处，而当喷射角为9°时，纬纱飞行方向上气流最大值达到165 m/s，出现在距喷嘴出口30 mm处，说明辅助喷嘴喷射角越大，喷射气流在筘槽内纬纱飞行轴线上的气流分量就越小，气流最大值出现的位置越靠近喷嘴方向。截取距辅助喷嘴出口20～75 mm段的气流速度并取平均值可知，当喷射角由3°增加为6°时，气流平均速度有小幅度增加，增长率为1.6%，当喷射角由6°增加到9°时，平均速度有较大幅度的下降，增长率为-6.9%，而当喷射角由9°增加到12°时，气流平均速度略有下降。可得出：纬纱飞行轴线上的气流速度随辅助喷嘴喷射角的增大而减小。喷射角较小时，适当增大角度可提升气流速度；当喷射角较大时，增大喷射角反而使得筘槽内气流速度降低，且随着角度的增大，这种降低的趋势越不明显。

3 影响辅助喷嘴耗气量的因素分析

3.1 供气压力对喷嘴耗气量的影响

图7示出不同供气压力下辅喷嘴耗气量与气流平均速度的对照。由图可知，随供气压力的逐渐增大，辅助喷嘴的耗气量增加，筘槽内气流平均速度也逐渐增大。当压力由0.2 MPa增加到0.3 MPa时，耗气量增长率为21.1%，气流平均速度增加36.3%；当供气压力大于0.3 MPa时，随供气压力的增大，气流平均速度增长率减小，而耗气量不断增加。可得出：增大辅助喷嘴的供气压力，在一定程度可提升射流的平均速度，但随压力的不断增加，筘槽内气流平均速度逐渐趋于稳定，喷嘴耗气量不断增加，因此，在生产中需要根据织机速度和引纬时间合理选择供气压力，在保证顺利引纬的前提下尽可能降低气压，即降低织机气耗。

3.2 出口截面积对喷嘴耗气量的影响

图8示出不同出口截面积下辅喷嘴耗气量与气流平均速度的对照。由图可知，随辅助喷嘴出口截面积的不断增加，筘槽内气流平均速度先增加后逐渐减小，面积为1.469 mm2(D型Ⅱ)的辅助喷嘴气流平均速度最大，达到114 m/s，但其耗气量却小于平均速度相近的喷嘴D型Ⅲ，因此，在生产中，需要考虑纬纱性能、织机能耗等因素合理选择辅助喷嘴出口截面积，避免因喷嘴出口截面积过小造成的射流流量不足、扩散迅速等问题，亦要避免喷嘴出口截面积过大引起的射流集束性降低和气耗大等问题，从而实现生产效率和生产质量的最优化。

3.3 出口形状对喷嘴耗气量的影响

图9示出不同出口形状下辅喷嘴耗气量与气流平均速度的对照。由图可知，在相同出口截面积下，不同出口形状辅助喷嘴射流在筘槽内的平均速度各不相同，由单圆孔时的124 m/s减小到16孔时的116 m/s而后又增加为D形孔时的123 m/s，总体速度变化幅度小。耗气量的差异较为明显，在相同条件下，单圆孔与D形孔的耗气量基本相同，在1.56 m3/h左右，而16孔喷嘴耗气量只有1.5 m3/h，小于其他二者。原因在于16孔喷嘴喷射面上孔型分布较为密集，各小孔间射流相互干扰，耦合影响较大，造成喷嘴流量减小，因此，在生产中若单纯通过改变喷嘴出口形状以期达到提高射入筘槽气流的速度以及引纬质量是较难实现的，在选择时需要优先考虑纬纱性质及耗气量，以达到喷气引纬高质低耗的要求。

3.4 喷射角度对喷嘴耗气量的影响

图10示出不同喷射角下辅喷嘴耗气量与气流平均速度的对照。由图可知，随辅助喷嘴喷射角的逐渐增加，辅助喷嘴射流在筘槽内的速度先增加后逐渐减小，喷嘴耗气量呈不断减小趋势，尤其当喷射角由6°增加到9°时，气流平均速度与耗气量均发生显著的降低。这是由于喷射角越大，经辅助喷嘴喷出的高压射流与钢筘上唇的碰撞越激烈，经过碰撞的气流一部分通过筘片间隙逸出，大部分则会反射回筘槽内，最终导致气流量不断减少，因此，在生产中需要考虑织机能耗以及织物质量合理选择喷射角度，避免因角度过小造成纬纱无法悬浮及能耗过大的问题，也要避免角度过大引起的引纬筘槽内气流速度较小、不利于引纬等问题。

4 结 论

对喷气织机辅助喷嘴外流场进行数值模拟，通过分析辅助喷嘴在不同供气压力、出口截面积、出口形状以及喷射角度等条件下纬纱飞行轴线上气流速度的分布和变化，综合单个辅助喷嘴的耗气量，得到各参数对辅助喷嘴流场的影响，结论如下。

1)辅助喷嘴供气压力对筘槽内气流的影响较大，喷射气流的速度随供气压力的增加先增大后保持相对稳定，耗气量随压力的增加不断增大。在生产实践中选择供气压力时应充分考虑织造品种、织机车速、引纬质量及织机能耗等因素，其中压力选择不可过大，一般在(0.4±0.05)MPa的范围内选择，在保证顺利引纬的前提下，适当降低压力，减小气耗。

2)辅助喷嘴出口截面积对筘槽内气流的速度及稳定性影响较大，截面积过小，筘槽内气流速度小，衰减速度快；截面积过大，气流集束性差，速度衰减加快，气耗增加。在实际生产中选择辅助喷嘴时应遵循适中原则，需要对喷嘴加以优选甄别。

3)在出口截面积相同的情况下，出口形状的改变对喷嘴外流场的气流速度的大小影响较小，但对气流的集束性、引纬稳定性及喷嘴的耗气量影响较大，尤其是多孔喷嘴，在选择时需充分考虑纬纱质量以及织造成本。

4)辅助喷嘴喷射角影响喷射气流在筘槽内纬纱飞行轴线上的速度分量大小及气流速度峰值的位置，从而间接影响纬纱在筘槽内的飞行路径。喷射气流在筘槽内的平均速度及喷嘴耗气量均随喷射角的增大而减小，因此在选择喷射角时应综合考虑能耗和引纬效率等因素，取喷射角为6°最佳。

5)生产实际中，通过降低辅助喷嘴供气压力来减小喷气织机能耗是最为直接有效和方便的方法。生产织造时，应在综合考虑喷嘴的结构、织机的运转速度、织造品种等因素的基础上，选择合适的供气压力，实现生产效率和生产质量的最优化。

FZXB

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Analysis on weft insertion flow field and gas consumption of auxiliary nozzle in air-jet loom

ZHANG Min1,2， WANG Hongbo1,2， GAO Weidong1,2， CHEN Qiaolan1,2

(1.KeyLaboratoryofEco-Textiles(JiangnanUniversity),MinistryofEducation,Wuxi,Jiangsu214122,China; 2.JiangsuEngineeringTechnologyResearchCenterforFunctionalTextiles,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

In order to study the influence of the auxiliary nozzle geometric structure on the nozzle jet effect and air consumption, the weft insertion flow field of the auxiliary nozzle was simulated with CFD software Fluent. The velocity distributions on the axis of weft flying of auxiliary nozzle under different conditions, such as the input air pressure, the outlet cross-sectional area, the outlet shape and the spray angle of auxiliary nozzle, are obtained. Results indicate that, with the increasing of input air pressure, the velocity of airflow is improved, while the increasing rate has been decreased. Gas consumption varies with the pressure positively. The velocity and sustainability of the air flow are determined by outlet cross-sectional area of auxiliary nozzle, and the air consumption is increasing with the growth of the cross-sectional area. For a given outlet cross-sectional area, various outlet shapes of auxiliary nozzle make little difference on the flow fields. Different nozzle spray angles correspond to different velocities and peak positions on the direction of weft flying, and the air consumption is reduced with the increasing of spray angle in the experimental range. Therefore, appropriate auxiliary nozzle and weft insertion process play a critical role of achieving high air-jet loom quality and low consumption.

air-jet loom; auxiliary nozzle; flow field; gas consumption

10.13475/j.fzxb.20160203006

2016-02-26

2016-07-29

国家自然科学基金项目(31270632)；中央高校基本科研业务项目(JUSRP51515,JUSRP51622A)；江苏省产学研项目(BY2014023-24)

张敏(1991—)，女，硕士生。研究方向为织造技术。王鸿博，通信作者，E-mail: wxwanghb@163.com。

TS 101.2

A