喷气织机延伸喷嘴内气流场特性分析

广少博， 金玉珍， 祝晓晨

(浙江理工大学 机械与自动控制学院， 浙江 杭州 310018)

玻璃纤维织物具有绝缘、绝热、抗腐蚀、耐高温、高强度等性能，被广泛应用于空气过滤、隔热、阻燃窗帘和增强印刷电路板等领域。玻璃纤维喷气织造速度快，纤维的磨损可达到最小化，但由于玻璃纤维间的抱合力相对于有捻纤维来说较弱，纱头部分不易集聚。在喷气织造过程中，引纬气流力对玻璃纤维运动影响极大，纤维易离散，甚至使其输送过程中断[1]，因此，如何合理布置引纬系统气流场参数，对于玻璃纤维的喷气织造具有重要意义。目前对喷气织机引纬系统的研究主要采用数值模拟和实验研究的方法。

国内外不少学者借助ANSYS等工具，建立主喷嘴、辅喷嘴和异型筘槽气流场模型，采用数值模拟方法对喷气织机引纬系统的气流场进行研究，分析主喷嘴[1]、辅喷嘴[2]、单主喷和多辅喷[3-4]以及异型筘槽内的气流场特性[5-6]。此外，一些学者还利用毕托管和激光多普勒测速仪等仪器测量了异型筘槽内的气流速度，分析不同供气压力、不同辅喷嘴间距对异型筘槽内气流特性的影响[7-9]，确定主喷嘴和辅喷嘴气流在异型筘槽内交汇时的最佳交汇角[10]。

现有的研究主要是对主喷嘴、辅喷嘴和异型筘槽进行研究，主要针对引纬系统的前中部气流场，而对引纬系统末端的气流场研究较少。本文通过对放置在引纬系统末端的延伸喷嘴内气流场进行研究，确定延伸喷嘴在异型筘槽中的最佳位置，优化延伸喷嘴结构，提高引纬系统末端对纬纱的拉伸牵引力，优化引纬末端的气流场，以期为玻璃纤维喷气织造的实现提供一定的理论参考。

1 几何模型和网格划分

1.1 延伸喷嘴几何模型

延伸喷嘴三维示意图与延伸喷嘴剖面结构图如图1所示。图中：d为延伸喷嘴进气口与纬纱入口间的水平距离，mm；β为进气口中心轴线与水平线的夹角，称为进气口喷射角度，()。

图1 延伸喷嘴示意图Fig.1 3-D (a) and profile (b) schematic diagram of extended nozzle

延伸喷嘴在喷气引纬系统中的大致位置如图2所示。图中，L为最后一个辅喷嘴出口与延伸喷嘴纬纱入口间的距离，mm。

图2 延伸喷嘴在引纬系统中的位置示意图Fig.2 Diagram of extended nozzle position in weft insertion system

1.2 边界条件和网格划分

简化引纬系统末端流场结构如图3所示。辅喷嘴和延伸喷嘴的气流入口均为压力入口，压力出口为大气压，近壁面采用Enhanced Wall Treatment，壁面边界条件为无滑移、绝热壁面。模型处理和网格划分在ICEM中完成，采用非结构网格，具有较好的自适应性，更有利于数值计算的顺利进行。本文采用四面体网格对等效主喷嘴、辅喷嘴和延伸喷嘴进气口的网格进行加密，使数值模拟的结果更准确。网格数量约为232万个。

图3 引纬系统末端气流场网格图Fig.3 Airflow field grid of weft insertion system end

2 数值方法

在欧拉坐标系下，可压缩牛顿流体运动控制方程如下。

连续性方程：

(1)

式中：u、v、w为x、y、z方向的速度分量，m/s；ρ为流体密度，kg/m3。

Navier-Stokes方程：

(2)

(3)

(4)

式中：p为压力，Pa；gx、gy、gz为外力分量，N；μ为动力黏度系数。

引纬系统末端气流场的雷诺数大于104，是湍射流，可忽略分子黏性的影响，因此，本文采用Realizablek-ε模型可满足计算要求。

能量守恒方程：

(5)

式中：T为温度，℃；cp为定压比热容，J/(kg·℃)；ST为流体的内热源，以及由于黏性作用产生的机械能转化为热能的热源，J；k为流体的热传导系数。

3 数值分析

3.1 不同L下导纱管内气流场特性

本文实验选取L为30、60、100 mm时引纬系统末端气流场云图如图4所示，此时辅喷嘴的供气压力为0.2 MPa。提取3种L下导纱管轴线上的气流速度如图5所示，用Z表示导纱管轴线上的位置。可知，不同L下导纱管轴线速度衰减趋势相同。3种L下导纱管轴线上的最大速度和平均速度如表1所示。可知，当L=60 mm 时，导纱管轴线上的平均速度较大，气流力也大，有利于纬纱的拉伸牵引。

图4 不同L下延伸喷嘴导纱管内气流场云图Fig.4 Cloud chart of airflow field in guide hole of extended nozzle under different L

图5 不同L下导纱管轴线速度分布图Fig.5 Axis velocity attenuation diagram of guide hole under different L

表1 不同L下导纱管轴线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 进气口位置对导纱管内气流速度影响

延伸喷嘴进气口喷射角度β均为10°，进气口压力为0.2 MPa时,不同d下延伸喷嘴导纱管气流轴线速度分布如图6所示，Z为导纱管轴线上的位置。可以看出，当d为30 mm时，延伸喷嘴导纱管轴线上的气流速度整体较大，且波动不是很大。

图6 延伸喷嘴导纱管气流轴线速度分布图Fig.6 Airflow velocity distribution diagram on axis of guide hole of extended nozzle

表2示出不同水平距离(d)下延伸喷嘴导纱管轴线上气流最大速度、平均速度和延伸喷嘴进气口速度差。可知：当d=5 mm时，导纱管轴线上气流最大速度为114.9 m/s，平均速度为 87.1 m/s,速度较大，但在延伸喷嘴进气口射流射入位置的气流速度在短距离内波动较大，波动值为 27.7 m/s，导纱管内流场不稳定；当d=30 mm时，导纱管轴线上气流最大速度为108.6 m/s，平均速度为80.7 m/s；当气流速度下降到80.0 m/s左右时，能维持一段时间且速度波动相对较小，导纱管内流场较稳定；当d=50 mm时，导纱管轴线上气流最大速度为98.7 m/s，平均速度为 61.8 m/s，与d=30 mm相比，速度整体较小；当d=75 mm 时，导纱管轴线上气流最大速度为 82.3 m/s，平均速度为43.2 m/s，导纱管轴线上的气流速度更低，气流力更弱。综上所述，当d= 30 mm 时，延伸喷嘴导纱管轴线上的气流速度整体较大且速度波动较小，气流场稳定，因此，延伸喷嘴进气口与延伸喷嘴纬纱进口的水平距离d= 30 mm 附近时，可有效提高纬纱的拉伸牵引能力。

表2 导纱管轴线上气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对导纱管内气流场稳定性的影响

β为延伸喷嘴进气口喷射角度，本文实验取 3种不同情况：β=10°、30°和45°。

气流速度的标准偏差可反映气流的稳定性，其公式为

(6)

气流速度横向分布的标准偏差与横向速度有关，延伸喷嘴横向切面位置如图7所示。分别取导纱管横向切面到其进气口的水平距离D=5、25、45、65 mm。图8示出β=10°时，导纱管4个不同位置横向切面的速度流场云图。可以看出，导纱管中心轴线上的气流速度最大。

图7 延伸喷嘴横向切面位置Fig.7 Transverse sections of extended nozzle

图8 β=10°时4个不同位置横向切面的速度流场云图Fig.8 Velocity field cloud chart of four different transverse sections at different positions at β=10°

图9示出导纱管不同水平距离切面的横向气流速度的分布。其中，Y为导纱管横向切面轴线上的位置(见图8)。

图9 不同距离切面的横向气流速度的分布Fig.9 Transverse distribution of airflow velocity of different distance sections

通过式(6)计算得出导纱管不同距离切面气流速度横向分布的标准偏差如表3所示。在D=5、25、45、65 mm这4个横向切面上分别对比β=10°、30°、45°的气流速度横向分布的标准偏差可知，在β=10°时不同距离切面上气流速度横向分布的标准偏差都是最小的，因此，当β=10°左右时，导纱管气流场较稳定。

表3 气流速度横向分布的标准偏差Tab.3 Standard deviation of transverse distribution of airflow velocity

4 实验方案及数据分析

实验在浙江某纺织机械股份有限公司HY-8型喷气织机上进行，采用智能压力风速风量仪和定制毕托管分别获取气体流速和风量。首先用刻度尺在毕托管探测头上标记位置，然后将探头从延伸喷嘴导纱管末端伸入，逐步测量导纱管内沿轴线不同位置的气流速度。延伸喷嘴导纱管内轴线气流速度测试方案如图10所示。

图10 延伸喷嘴导纱管轴线速度测试方案Fig.10 Principle diagram of measuring axial velocity of guide hole of extended nozzle

实验使用进气口与纬纱入口的距离d为 30 mm，进气口喷射角度β为10°的延伸喷嘴，设定最后1个辅喷嘴出口到延伸喷嘴纬纱入口的距离L为60 mm。测得无延伸喷嘴的引纬末端轴向气流速度与有延伸喷嘴的末端轴向气流速度对比如图11所示。可以看出：无延伸喷嘴时，引纬末端轴向气流最大速度为80.3 m/s，平均速度为 46.4 m/s；放置延伸喷嘴后末端气流最大速度可达112.1 m/s，平均速度为81.2 m/s；因此，放置延伸喷嘴可使引纬末端气流速度得到显著提升，有效提高了引纬末端的气流牵引力，可改善引纬末端气流场。

图11 引纬末端沿轴线气流速度Fig.11 Axial airflow velocity at the end of weft insertion

5 结 论

本文分析了不同结构参数下的喷气织机延伸喷嘴导纱管内气流场特性，并进行实验验证得出以下结论。

1)最后一个辅喷嘴出口到延伸喷嘴纬纱入口的距离L应为60 mm左右，此时导纱管内获得最大的气流速度，有利于延伸喷嘴对纬纱的拉伸牵引，距离太大或者太小都会导致导纱管内轴向气流速度减小，致使牵引力不足。

2)延伸喷嘴气流入口与纬纱进口的距离d应为30 mm左右，此时导纱管内气流速度整体提升较大，且在短距离内无较大波动，气流场较稳定。

3)延伸喷嘴进气口喷射角度β为10°左右时，气流速度径向分布的标准偏差最小，气流场的稳定性相对较好，有利于延伸喷嘴对纬纱的拉伸牵引。

4)延伸喷嘴可使引纬末端气流速度得到显著提升，有效提高引纬末端的气流牵引力，改善引纬末端气流场，有利于纬纱的引纬运动。