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1、西安工程大學(xué)學(xué)報JournalofXi'anPolytechnicUniversity第22卷第4期(總92期)2008年8月Vol.22,No.4(Sum.No.92)文章編號:1671-850X(2008)04-0424-03噴氣織機(jī)主噴嘴的流場分析王貫超,楊昆,梁海順(西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,陜西西安710048)摘要:采用流體動力學(xué)軟件NUMECA對噴氣織機(jī)主噴嘴的氣流流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,揭示了導(dǎo)紗管內(nèi)不同截面上氣流速度的分布,并對主噴嘴內(nèi)部氣流的軸向動壓和馬赫數(shù)分布進(jìn)行了分析.結(jié)果表明,利用數(shù)值模擬研究主噴
2、嘴流場特性方便、快捷,且精度也較高.關(guān)鍵詞:主噴嘴;數(shù)值模擬;NUMECA;噴氣織機(jī)中圖分類號:TS103文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A0引言噴氣織機(jī)高速化的原因主要在于高速氣流引緯.目前大多數(shù)噴氣織機(jī)均采用異形筘加接力輔助噴嘴的引緯方式,主噴嘴的高速氣流把緯紗從靜止?fàn)顟B(tài)加速到緯紗所需的飛行速度,并由筘槽內(nèi)的主、輔噴嘴的合成氣流把緯紗引過梭口.引緯流場的分布十分復(fù)雜,但緯紗引緯的飛行速度主要取決于主噴嘴出口風(fēng)[1]速,所以主噴嘴的射流特性對噴氣引緯起著關(guān)鍵作用.研究主噴嘴的流場分布和特性,對于提高噴氣織機(jī)的速度及引緯質(zhì)量具有非常積極的
3、意義.由于主噴嘴內(nèi)部的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,尺寸較小,其內(nèi)部氣流屬于三維湍流流動,而且還涉及到氣固兩相相互作用以及氣流匯合等許多復(fù)雜情況,使得主噴嘴射流流場的理論研究及實驗研究遇到很大困難.NUMECA是由NumecaInernational公司開發(fā)的FINE系列軟件組成,由于采用了近幾年研發(fā)出的最先進(jìn)技術(shù),使其在計算速度、計算精度、所需計算機(jī)內(nèi)存、使用方便程度、界面友好程度等方面都具有獨特的優(yōu)越性,因此成為目前國際上最優(yōu)秀的計算流體力學(xué)(簡稱CFD,也叫數(shù)值模擬)軟件之一.本文采用的FINE/HEXA軟件包,包括前處理、求解
4、器和后處理3個部分,其中前處理的網(wǎng)格生成器對于主噴嘴的網(wǎng)格生成速度和質(zhì)量遠(yuǎn)高于其他軟件.由于對主噴嘴氣流流場的數(shù)值模擬費用低、耗時少、方便快捷,且精度高,因此通過數(shù)值模擬方法來分析、研究主噴嘴的流場分布和特性,不但可以為主噴嘴的實驗研究和理論模型預(yù)測提供有力的支持,而且有助于主噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,并可有效地提高設(shè)計效率、降低設(shè)計成本.1主噴嘴流場的數(shù)值模擬1.1數(shù)值模擬條件采用了相對簡單的單方程Spalart-Allmaras模型,模型中的輸運變量在近壁處的梯度要比k-ε雙方程模型中的小,這使得該模型對網(wǎng)格粗糙帶來數(shù)值
5、誤差不太敏感.(1)將整個三維計算域劃分為多重網(wǎng)格數(shù)為3的1201806個全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元;(2)緯紗入口總壓P=101325Pa,溫度T=293K;收稿日期:2008-05-12通訊作者:王貫超(1956-),男,河南省清豐縣人,西安工程大學(xué)副教授.E-mail:fywgc560606@163.com第4期噴氣織機(jī)主噴嘴的流場分析425(3)高壓空氣進(jìn)口總壓P=200000Pa,溫度T=300K.為了確保噴氣織機(jī)能以1000r/min以上的高速正常引緯,必須使主噴嘴的出口風(fēng)速接近或達(dá)到音速,所以主噴嘴常采取小喉
6、部截面和加大長徑比的導(dǎo)紗管結(jié)構(gòu)設(shè)計,以使主噴嘴獲得“高壓力、小流量”的流場特性.1.2主噴嘴內(nèi)軸向動壓和馬赫數(shù)分布圖1和圖2分別為ZAX型主噴嘴內(nèi)部氣流的軸向動壓和馬赫數(shù)數(shù)值模擬的分布云圖.圖1主噴嘴內(nèi)部的軸向動壓云圖圖2主噴嘴內(nèi)部氣流的軸向馬赫數(shù)云圖從圖1可以看出,主氣包的高壓氣流和引緯流道的低壓氣流在噴嘴芯的出口處匯合,形成一個錐形負(fù)壓小區(qū).在緯紗進(jìn)口中,動壓由小變大,直至錐形負(fù)壓小區(qū),這非常有利于緯紗被吸進(jìn)緯紗通道.過了錐形區(qū)后,動壓變化趨于穩(wěn)定.由圖2可見,主氣包的高壓氣流經(jīng)第一氣室、整流槽、尾流區(qū)及亞音速加速
7、區(qū),在臨界截面———喉部處[2]達(dá)到音速,主噴嘴的喉部位于噴嘴芯頭端的小直徑長圓柱(低亞音速緩加速段)和導(dǎo)紗管內(nèi)壁之間的圓2[3]2環(huán)形縫隙處,此處的截面積大約為1mm,馬赫數(shù)達(dá)到1.有資料表明,當(dāng)喉部截面小于2mm,氣包靜壓高于0.2MPa時,喉部氣流將達(dá)到音速.鑒于不同機(jī)型的主噴嘴結(jié)構(gòu)和性能也不盡相同,僅通過擰進(jìn)擰出噴嘴芯無法改變喉部截面積(本文采用的ZAX型主噴嘴的環(huán)形柱狀區(qū)的長度大約為5mm左右,而噴嘴芯的縲紋為M8×0.5),因此也就無法[3]通過調(diào)節(jié)噴嘴芯位置來達(dá)到改變主噴嘴出口風(fēng)速的目的.1.3導(dǎo)紗管內(nèi)不
8、同截面速度分布圖3所示為氣流在導(dǎo)紗管不同截面中的速度分布曲線,從該圖可以看出,氣流在紗線的引射區(qū)截面上的速度波動較大,一般是管壁附近速度最大,軸心處較大,而管壁至軸心之間有一個速度最低谷值,這是由于引緯流道的低速氣流與噴嘴喉部的高速氣流在引射區(qū)匯交所至.在距引緯流道出口距離較遠(yuǎn)的緯紗加速區(qū)截面上速度分布曲線中,可以清楚地看到圓管湍
