基于FLUENT的喷气织机主喷嘴内部气流场三维数值分析

第29卷第2期苏　州　大　学　学　报(工　科　版)V o l.29N o.2 2009年4月J O U R N A LO FS U Z H O UU N I V E R S I T Y(E N G I N E E R I N GS C I E N C EE D I T I O N)A p r.2009

文章编号:1673-047X(2009)-02-038-05

基于F L U E N T的喷气织机主喷嘴内部气流场三维数值分析

郭　杰1,冯志华1,曾庭卫2

(1.苏州大学机电工程学院,江苏苏州215021;2.宝时得机械(苏州)有限公司,江苏苏州215021)

摘　要:采用流体动力学计算软件F L U E N T,对喷气织机主喷嘴引纬气流场进行较完整的三维数值模拟,与相关文献的实验值进行比较,结果证明了基于F L U E N T软件对喷气织机主喷嘴的气流流场进行数值分析的有效性与可行性,而且数值仿真优点较试验更全面,可解释喷嘴芯出口处的压力降低等试验难以观察的现象,为主喷嘴的设计提供了理论指导。

关键词:喷气织机;主喷嘴;F L U E N T;三维数值模拟

中图分类号:T S103.33+7;0358 文献标识码:A

0　引　言

计算流体力学(C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a m i c s,C F D)技术的发展为喷气织机主喷嘴的多维理论研究带来新思路和新方法。传统喷气织机主喷嘴的分析以实验为基础,分析的周期较长,试验的费用较高。随着计算机内存和并行技术的发展,数值模拟开始更为广泛地应用于节流装置的设计和流场分析中[1]。C F D是一种有效地研究流体动力学的数值模拟方法,它大大减少了试验费用、时间。近年来,C F D越来越多地应用于流体设备的设计和流场的分析中,在计算机上完成一次完整的计算及分析,就相当于在计算机上做一次物理实验,数值模拟可以形象地再现流动情景[2]。因此,C F D成为一种重要的设计和分析方法。本文使用广泛应用于C F D行业的F L U E N T软件分析主喷嘴内部压缩气体的流动情况。实验方法会受到模型尺寸、传感器或探针对流场的干扰、流场扰动、测量精度的限制,有时难以实现。

1　主喷嘴的结构特点及作用[3]

主喷嘴的结构及描述见文献[4]。

目前主喷嘴的主要应用分为两类:一类是用于管道片式喷气织机;另一类是用于异形筘式喷气织机,目前该类主喷嘴的使用范围较广泛,故为本文的主要研究对象。

主喷嘴的作用主要有两方面:①将进入主喷嘴的压缩空气按工艺要求进行调制,加速并充分地作用于纬纱表面,使纬纱从静止加速到引纬所需要的飞行速度;②将纬纱输送到异形筘槽内,并确定纬纱正确进入异形筘槽内的角度和位置。

2　喷气织机主喷嘴C F D模拟的数值方法研究

C F D方法研究基于流体流动的质量、动量和能量守恒的3个传递方程,对于不同相态的工作流体可能还要添加适当的状态方程。为了使方程有解,通常添加湍流模型来处理雷诺应力项。

收稿日期:2008-11-20

作者简介:郭　杰(1984-),男,硕士研究生,主要研究方向为机械动力学及控制。

基金项目:横向资助项目(编号P1117704)。

第2期 郭　杰,冯志华,曾庭卫:基于F L U E N T 的喷气织机主喷嘴内部气流场三维数值分析39

　2.1　数学模型

湍流模型一般有一方程模型、二方程模型、代数应力模型以及雷诺应力模型等。随着计算机硬件技术及湍流理论的深入发展,已有诸多问题的C F D 研究引入了大涡模拟方法进行湍流的高级数值模拟。喷气织机主喷嘴数值模拟广泛采用的是标准k -ε二方程湍流模型[5]。

2.2　控制方程

由于喷气织机主喷嘴喷射气流的特性与圆形射流的结构特点,本文在文献[5]试验研究基础上作出如下假设[4-5]:①主喷嘴内部的压缩气体为高速可压缩非定常理想气体;②由于速度很高,所以为湍流;③主喷嘴的工作过程为绝热。

非定常可压气体可以由以下的N -S 方程描述:

t

ΨW d V+∫ Ψ∮F-G d A = ΨH d V (1)式中:Ψ———控制体; Ψ———控制体边界面;W ———求解变量;F ———无粘通量;G ———粘性通量;H ———源项。另有:w =ρ

ρu

ρw

ρE ,F =ρU ρU u +p t ρU v +p j ρU w +p k

ρU E +p U ,G=0τx i τy i

τz i

τi i v i +q 式中:ρ———密度;u 、v 、w———速度分量;E———单位体积总能;U ———速度矢量;P———压力;i 、j 、k ———单位矢量;

τx i 、τy i 、τz i 、τi j

———粘性力;q ———热对流项。3　网格划分

划分好的三维主喷嘴网格如图1所示。

图1　主喷嘴网格分析图

4　F L U E N T 数值模拟及分析

4.1　数值模拟分析

将划分好的网格模型导入F L U E N T 后,首先定义尺寸单位(本文为m m ),然后检查网格,如果网格体积小于0,即负网格,说明网格类型或网格大小不合适,需重新划分网格[6]。然后选择算法,定义材料,进行边界值设定,再进行初始化以及迭代计算,最后对迭代的结果进行分析,得出需要的结论。

本文使用F L U E N T 6.3版本,采用D e n s i t y B a s e d 隐式,定常算法,对应的物质为i d e a l -g a s 湍流模型进行k -e p s i l o n 两方程的R N G 模型计算,设定收敛条件为0.001。给定入口压力为0.4M P a 时进行迭代运算,当进行到26800步时收敛。

4.2　数据分析

附表为由文献[6]的试验数据而得到的压力与马赫数值。