张 亮， 冯志华， 张晓飞， 刘 帅

(苏州大学 机电工程学院， 江苏 苏州 215021)

喷气织机辅助喷嘴与异形筘结构参数对流场的影响

张 亮， 冯志华， 张晓飞， 刘 帅

(苏州大学 机电工程学院， 江苏 苏州 215021)

为深入理解辅助喷嘴引纬流场特性以及相关结构参数的影响作用，以便为引纬工艺的改善提供参考，根据实际引纬情形建立辅助喷嘴与异形筘组合流场模型。利用计算流体动力学软件Fluent对组合流场进行数值模拟，得到组合流场射流中心线上的速度分布，并通过实验验证数值模拟的合理性。以此为基础，探究异形筘下唇倾角以及辅助喷嘴喷孔与异形筘壁的距离对组合流场的影响。结果表明：辅助喷嘴组合流场出口速度的实验值小于数值模拟值，但二者整体上具有较好的一致性。供气压力为0.3 MPa和0.4 MPa时，异形筘下唇倾角为12°和3°时的气流速度为最优，同时辅助喷嘴喷孔与异形筘壁间的合适距离为9 mm与10 mm。

辅助喷嘴； 异形筘； 数值模拟； 流场； 喷气织机

在异形筘式喷气织机上，纬纱飞进梭口依靠主喷嘴正确输送至异形筘槽，再由若干组辅助喷嘴以接力的方式送过梭口[1]。由此可见，对辅助喷嘴与异形筘组合流场的研究能加深对辅助喷嘴引纬过程的认识。目前，关于组合流场的研究主要集中在对筘槽内气流状态的分析方面，如通过测量筘槽内气流分布来说明流场的形成机制[2]，研究射流交角与相邻辅助喷嘴的间距对筘槽内气流的影响[3]以及不同供气压力、测点位置和喷向角对引纬气流的影响[4-5]等。此外，文献[6]利用高速摄像系统与气压测试装置验证了筘槽内引纬流场中的纬纱呈螺旋飞行状态，且存在波动现象。苏州大学也做了较多相关研究，包括主喷嘴引纬流场的分析以及相关实验平台的搭建[7-8]、一种新型主喷嘴结构[9]以及辅助喷嘴引纬流场特性研究[10-11]，从纬纱牵引角度对引纬流场性质描述[12-13]等。

本文运用Fluent软件对辅助喷嘴与异形筘组合流场进行数值模拟，首先得到中心线流速分布，并通过实验进行了测试验证，结果证明数值模拟是可行的，能够反映引纬流场的规律和性质。随后探究了异形筘下唇倾角与辅助喷嘴孔眼与异形筘槽壁的距离对组合流场的影响，以期为辅助喷嘴引纬工艺的改善提供参考。

1 辅助喷嘴组合流场结构及模型

1.1 辅助喷嘴组合流场结构

本文以图1所示的辅助喷嘴和异形筘实物为原型，根据其尺寸设计组合流场三维模型用于数值模拟，并利用其进行实验测试。

图1 辅助喷嘴和异形筘实物

1.2 辅助喷嘴组合流场模型

利用Pro/E三维软件建立辅助喷嘴与异形筘组成的组合流场三维模型，由于异形筘是由多个筘片组合而成，筘齿间有一定的间隙，因此，按照异形筘标准建立的模型较为复杂，其网格划分难度大，且网格数量多，不易于数值模拟，故参照文献[8]，将异形筘表面当作壁面处理，并忽略其筘齿间隙，这样可减少数值运算的复杂程度，且不影响数值模拟结果。最终所建辅助喷嘴组合流场模型如图2所示。

由于辅助喷嘴射流中心线存在一定偏角，因而较难确定其射流中心线速度，故本文以辅助喷嘴喷孔几何中心每5 mm间隔作为度量，再将不同截面的最大射流速度拟合成射流中心线速度分布，结果如图3所示。

图3 辅助喷嘴组合流场模型结构

2 辅助喷嘴组合流场模拟及验证

2.1 辅助喷嘴组合流场数值模拟

运用Fluent软件对辅助喷嘴组合流场进行数值模拟前，需要对三维流场模型进行网格划分。通过专业网格划分软件Hypermesh处理得到网格模型，如图4所示。最后将其导入Fluent中求解计算，具体参数设置参考文献[10]。

图4 辅助喷嘴组合流场有限元模型

2.2 实验测试原理及设备

根据Bernoulli方程，得到总压与静压之差(即动压)，便可求出气流速度，本文实验利用毕托管测出相应压差，通过CYR-2D差压变送器输入到INV306采集仪中，再由DASP V10进行信号采集和数据分析，可得到总压与静压之差，再由下式获得气流速度：

式中：k为毕托管修正系数；ρ为气流密度，kg/m3；p为测得的总压与静压之差，Pa。

本文实验所采用的测试装置如图5所示。

图5 辅助喷嘴组合流场实验测试装置

2.3 模拟结果和实验结果比较

本文对0.2、0.3、0.4 MPa供气压力下的辅助喷嘴组合流场进行数值模拟与实验测试，得到射流中心线速度分布曲线，如图6所示。

图6 组合流场射流中心线上的速度分布

由图6(a)可知，当供气压力为0.2 MPa时，出口最大速度模拟值为300 m/s，实验测试值为282 m/s；由图6(b)可知，当供气压力为0.3 MPa时，出口最大速度模拟值为379 m/s，实验测试值为339 m/s；由图6(c)可知，当供气压力为0.4 MPa时，出口最大速度模拟值为406 m/s，实验测试值为344 m/s。毕托管尺寸在一定程度上影响流场的流动特性，特别在靠近出口处，且辅助喷嘴喷口直径较小，因而导致出口速度实验测试值小于数值模拟值，其差值随供气压力增大而变大。同时也在一定程度上影响了辅助喷嘴近距离流场的变化，从而导致近距离速度误差较大。根据图6可知，在3种供气压力下，二者速度曲线虽然存在一定差距，但是速度总体衰减趋势仍能够较好地吻合，因此在一定程度上说明，利用Fluent软件对辅助喷嘴组合流场进行数值模拟具有一定的可行性和合理性。

3 辅助喷嘴组合流场影响因素

本文在通过Fluent软件进行辅助喷嘴组合流场模拟的基础上，进一步研究了异形筘下唇倾角和辅助喷嘴喷孔与异形筘壁的距离对辅助喷嘴组合流场的影响。

3.1 异形筘下唇倾角的影响

异形筘结构如图7所示。通常异形筘的上唇水平，而下唇因不同产品型号或厂家有着不同的倾角。虽然从减少气流扩散角度来讲，下唇倾角为0°时较为适宜，但是不同下唇倾角会对辅助喷嘴组合流场的气流速度产生影响。

图7 异形筘结构

目前，常见的异形筘的下唇倾角最大一般为12°[1]，故本文分别研究了倾角为0°、3°、6°、9°、12°这5种不同角度对组合流场气流速度的影响，通过对0.3、0.4 MPa供气压力下的数值模拟，得到气流速度分布曲线，如图8所示。

图8 不同下唇倾角的气流速度曲线

由图8(a)可得，在供气压力为0.3 MPa下，不同倾角的气流速度曲线的变化趋势大致相同。倾角为12°时，其气流速度达到最佳，其次为3°；倾角为9°时，其气流速度达到最差，尤其在前半段距离上的速度远低于其余4种情形；倾角为0°与倾角为6°的气流速度分布较为相似，且二者气流速度良好。

由图8(b)可得，在供气压力为0.4 MPa下，倾角为0°、3°和6°时，3种情形下的气流速度衰减趋势大致相同，其中倾角为3°时的气流速度相对最佳，而倾角为6°时最差；倾角为12°时，其气流速度在前半段距离内表现最优，但后半段气流速度远低于其余4种情形；倾角为9°时，其气流速度在大于65 mm距离上较为突出，但在前段距离内的气流速度远小于其他4种情形。

3.2 辅助喷嘴与异形筘壁距离的影响

图9示出辅助喷嘴实际引纬的结构简图。包括辅助喷嘴、异形筘以及由上下经纱层形成的梭口。其中，辅助喷嘴相对于异形筘的安装距离对引纬气流有着重要影响，合适的距离能够较好地保证引纬质量。

图9 辅助喷嘴与异形筘间的距离

本文以辅助喷嘴喷孔中心到异形筘壁的距离为研究对象，分析了8、9、10、11、12 mm这5种不同距离对组合流场气流速度的影响，通过对0.3、0.4 MPa供气压力下进行数值模拟得到气流速度分布曲线，如图10所示。

图10 不同距离下的气流速度曲线

由图10(a)可知，在供气压力为0.3 MPa下，总体呈现出气流速度随安装距离减小而增大的趋势。距离为11 mm和12 mm时，由于辅助喷嘴离异形筘较远，其气流速度相对较差，尤其在50 mm距离内的速度远低于其他3种情形；距离为10 mm时，其气流速度虽好于距离为11 mm和12 mm时的情形，但是相对于距离为8 mm和9 mm的情形仍有一定的差距；距离为8 mm和9 mm时，二者气流速度曲线重合度较高，性能较为接近，但是在8 mm的距离下，中心速度曲线过于靠近筘槽壁，不利于引纬，因此，距离为9 mm相对好于8 mm。

由图10(b)可知，在供气压力为0.4 MPa下，气流速度变化趋势随安装距离减小而增大，但在后半段距离上不同安装距离的气流速度的差距相对较小。距离为11 mm和12 mm时，随着供气压力增大，其气流速度与其余3种情形的差距也增大；距离为8 mm和9 mm时，二者气流速度好于其余情形，虽然距离为9 mm的速度略低于8 mm时，但能较好地保证纬纱通过筘槽；距离为10 mm时，其气流速度介于最好与最差之间。

4 结 论

1)辅助喷嘴组合流场的实际出口速度低于数值模拟值，其差值在供气压力较大时较为明显，但二者的总体变化趋势一致。

2)供气压力为0.3 MPa时，下唇倾角为12°下的气流速度相对最优；供气压力为0.4 MPa时，下唇倾角为3°下的气流速度相对最优。

3)供气压力为0.3、0.4 MPa时，辅助喷嘴喷孔中心到异形筘壁的距离为9 mm下的气流速度相对最优；距离为10 mm下的气流速度相对稳定。

4)利用计算流体动力学软件Fluent对辅助喷嘴组合流场进行数值模拟具有一定的可行性和合理性，其结果值得参考。

FZXB

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Influence of auxiliary nozzle and profiled reed in air-jet loom on flow field

ZHANG Liang， FENG Zhihua， ZHANG Xiaofei， LIU Shuai

(CollegeofMechanicalandElectricEngineering,SoochowUniversity,Suzhou,Jiangsu215021,China)

In order to deeply understand the properties of weft insertion flow field of auxiliary nozzle and the effects of correlative structure parameter，and further provide basis for improving the craftwork of weft insertion, the flow field model of a combination of auxiliary nozzle and profiled reed is built according to the actual condition of weft insertion. The numerical simulation is carried out by the computational fluid dynamics software called Fluent. The velocity distribution curve of the combinational flow field centerline is obtained and the rationality of numerical simulation is verified by experiment. On this basis, further research about the effect of the underlip obliquity of profiled reed and the distance between auxiliary nozzle and profiled reed on the combinational flow field is implemented. The results showed that experimental velocity is lower than simulative velocity at the outlet of auxiliary nozzle, but they are in good agreement as a whole. When the air supply pressure is 0.3 MPa and 0.4 MPa, the air velocity performance of 12 degrees and 3 degree of the underlip obliquity is optimal, respectively. Moreover, the suitable distance between auxiliary nozzle and profiled reed is 9 mm or 10 mm.

auxiliary nozzle； profiled reed； numerical simulation； flow field； air-jet loom

10.13475/j.fzxb.20150904006

2015-09-18

2016-03-27

张亮(1990—)，男，硕士生。研究方向为新型纺织机械、机电系统动态行为及其控制。冯志华，通信作者，E-mail:zhfeng@suda.edu.cn。

TS 101.2

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