喷气织机主喷嘴的流场分析

西安工程大学学报

Journal of Xi'an Poly technic Univer sity

　第22卷第4期(总92期)2008年8月Vo l.22,N o.4(Sum.N o.92) 文章编号:1671-850X(2008)04-0424-03

喷气织机主喷嘴的流场分析

王贯超,杨　昆,梁海顺

(西安工程大学机电工程学院,陕西西安710048)

摘要:采用流体动力学软件NUM ECA对喷气织机主喷嘴的气流流场进行了数值模拟,揭示了导纱管内不同截面上气流速度的分布,并对主喷嘴内部气流的轴向动压和马赫数分布进行了分析.结果表明,利用数值模拟研究主喷嘴流场特性方便、快捷,且精度也较高.

关键词:主喷嘴;数值模拟;N UMECA;喷气织机

中图分类号:TS103 文献标识码:A

0　引　言

喷气织机高速化的原因主要在于高速气流引纬.目前大多数喷气织机均采用异形筘加接力辅助喷嘴的引纬方式,主喷嘴的高速气流把纬纱从静止状态加速到纬纱所需的飞行速度,并由筘槽内的主、辅喷嘴的合成气流把纬纱引过梭口.引纬流场的分布十分复杂,但纬纱引纬的飞行速度主要取决于主喷嘴出口风速[1],所以主喷嘴的射流特性对喷气引纬起着关键作用.研究主喷嘴的流场分布和特性,对于提高喷气织机的速度及引纬质量具有非常积极的意义.

由于主喷嘴内部的结构比较复杂,尺寸较小,其内部气流属于三维湍流流动,而且还涉及到气固两相相互作用以及气流汇合等许多复杂情况,使得主喷嘴射流流场的理论研究及实验研究遇到很大困难.

NUM ECA是由Num eca Inernatio nal公司开发的FINE系列软件组成,由于采用了近几年研发出的最先进技术,使其在计算速度、计算精度、所需计算机内存、使用方便程度、界面友好程度等方面都具有独特的优越性,因此成为目前国际上最优秀的计算流体力学(简称CFD,也叫数值模拟)软件之一.

本文采用的FINE/H EXA软件包,包括前处理、求解器和后处理3个部分,其中前处理的网格生成器对于主喷嘴的网格生成速度和质量远高于其他软件.由于对主喷嘴气流流场的数值模拟费用低、耗时少、方便快捷,且精度高,因此通过数值模拟方法来分析、研究主喷嘴的流场分布和特性,不但可以为主喷嘴的实验研究和理论模型预测提供有力的支持,而且有助于主喷嘴结构的优化设计,并可有效地提高设计效率、降低设计成本.

1　主喷嘴流场的数值模拟

1.1　数值模拟条件

采用了相对简单的单方程Spalart-Allm aras模型,模型中的输运变量在近壁处的梯度要比k-ε双方程模型中的小,这使得该模型对网格粗糙带来数值误差不太敏感.

(1)　将整个三维计算域划分为多重网格数为3的1201806个全六面体非结构网格单元;

(2)　纬纱入口总压P=101325Pa,温度T=293K;

收稿日期:2008-05-12

通讯作者:王贯超(1956-),男,河南省清丰县人,西安工程大学副教授.E-mail:fy w gc560606@163.co m

(3)　高压空气进口总压P =200000Pa ,温度T =300K .为了确保喷气织机能以1000r /min 以上的高速正常引纬,必须使主喷嘴的出口风速接近或达到音速,所以主喷嘴常采取小喉部截面和加大长径比的导纱管结构设计,以使主喷嘴获得“高压力、小流量”的流场特性.

1.2　主喷嘴内轴向动压和马赫数分布

图1和图2分别为ZAX 型主喷嘴内部气流的轴向动压和马赫数数值模拟的分布云图

.

图1　主喷嘴内部的轴向动压云图 图2　主喷嘴内部气流的轴向马赫数云图

从图1可以看出,主气包的高压气流和引纬流道的低压气流在喷嘴芯的出口处汇合,形成一个锥形负压小区.在纬纱进口中,动压由小变大,直至锥形负压小区,这非常有利于纬纱被吸进纬纱通道.过了锥形区后,动压变化趋于稳定.

由图2可见,主气包的高压气流经第一气室、整流槽、尾流区及亚音速加速区,在临界截面———喉部处达到音速,主喷嘴的喉部位于喷嘴芯头端的小直径长圆柱(低亚音速缓加速段[2])和导纱管内壁之间的圆环形缝隙处,此处的截面积大约为1mm 2,马赫数达到1.有资料[3]表明,当喉部截面小于2m m 2,气包静压高于0.2M Pa 时,喉部气流将达到音速.

鉴于不同机型的主喷嘴结构和性能也不尽相同,仅通过拧进拧出喷嘴芯无法改变喉部截面积(本文采用的ZAX 型主喷嘴的环形柱状区的长度大约为5mm 左右,而喷嘴芯的缧纹为M8×0.5),因此也就无法通过调节喷嘴芯位置来达到改变主喷嘴出口风速的目的

[3]

.

图3　导纱管内径向气流速度曲线

1.3　导纱管内不同截面速度分布图3所示为气流在导纱管不同截面中的速度分布曲线,

从该图可以看出,气流在纱线的引射区截面上的速度波动较

大,一般是管壁附近速度最大,轴心处较大,而管壁至轴心之

间有一个速度最低谷值,这是由于引纬流道的低速气流与喷

嘴喉部的高速气流在引射区汇交所至.在距引纬流道出口距

离较远的纬纱加速区截面上速度分布曲线中,可以清楚地看

到圆管湍流运动中的3个区域,即层流底层区、过渡区和湍流

核心区.根据圆管湍流运动理论[4],层流底层区的厚度可近似

按下式计算,即

δ=30d /(Re λ),(1)式中　λ为湍流运动的沿程阻力系数,d 为圆管半径,Re 为流动雷诺数.

相关资料[1]给出导纱管加速区中湍流速度沿半径分布实验方程

v =v m -5.75v f lg (r 0/(r 0-r )),

(2)

式中　v m 为最大流速,v f 为阻力流速,r 0为圆管半径.

由于主喷嘴内的气流雷诺数很大,所以层流底层很薄,并随流动距离而增大.导纱管内壁的粗糙度对层流底层有相当的破坏作用,对气流流动能量损失影响很大,所以必须保证主喷嘴导纱管内壁的光洁度.425

第4期 喷气织机主喷嘴的流场分析