喷气织机主喷嘴气流三维数值模拟与分析

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摘 要:利用计算流体力学CFD软件对主喷嘴内部气流进行了三维数值模拟,获得喷气织机主喷嘴内部气流压力、流速、马赫数等流场特性的分布曲线,并就流场的轴向径向气流速度模拟结果进行了详细的分析评价。模拟结果验证了计算模型的可行性和有效性,对于进一步了解实际系统流场特性并提高喷气织机气流性能具有重要意义。在一定程度上为主喷嘴内部流场分析和结构设计奠定了基础,为主喷嘴结构设计缩短研制周期,提高效率,节约成本提供了参考依据,是喷气织机气流引纬技术研究的一个重要发展方向。关键词:喷气织机; 主喷嘴; 数值模拟; 流场

中图分类号:TN919-34文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)18-0180-04

Numerical Simulation and Analysis of Air Flow within Main Nozzle in Air-jet Loom

MA Zhi-yan1,LIANG Zhe2

(1.Department of Mechanical Engineering, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721000, China;

2.Department of Mechanical Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China)

Abstract: The 3-D numerical simulation of the air flow within the main nozzle was performed with the computational fluid dynamics (CFD) software, and the distribution curves of flow field characteristics of pressure, velocity and Mach number of air flow within the main nozzle of air-jet loom were obtained. A detailed analysis and evaluation about the simulation results of the radial and axial air velocity in the flow field are carried out. The simulation results verified the feasibility and effectiveness of the method, which may have important significance in further understanding of practical flow field characteristics, improve the flow field performance of air-jet loom, and lay a foundation for the flow field analysis and structure design of main nozzle to some extent. The method can shorten the development cycle for main nozzle. It is a development direction of pneumatic weft insertion tchnology of air-jet loom.Keywords: air-jet loom; main nozzle; numerical simulation; flow field

收稿日期:2010-04-23

0 引 言

喷气引纬系统是依靠喷嘴气流实现引纬,因此喷嘴的设计是喷气织机的关键技术,喷嘴的结构、流速等参数直接影响到整机的正常运转和织物的质量,而喷嘴内部的流动情况比较复杂[1],目前喷嘴多数的设计是建立在经验基础之上,迫切需要对喷嘴的内部流动规律进行深入的研究。

随着计算流体力学(computational fluid dynamic,CFD)技术和计算机技术的不断发展,数值计算得到迅速发展,这里采用数值计算方法对喷气织机喷嘴中气流流动特性进行研究,并对其气流流动性能进行三维数值模拟研究,得出主喷嘴内部流场的分布情况,从而对主喷嘴内部气流速度情况进行了分析评价,以利于更好的了解喷嘴内部气流与喷气织机工作性能之间的关系。

1 主喷嘴结构及工作原理

组合式喷嘴是现代喷气织机的常用结构,在此以此为例来进行探讨。组合式喷嘴常见结构如图1所示,它由喷嘴芯A、喷嘴体B和导纱管C三部分构成。

图1 主喷嘴结构图

由储纬器引来的纬纱从纬纱入口11进入引纬流┑12,由主气包来的压缩空气从进气孔1进入第一气室2 形成强旋流,经整流槽3进行整流,使湍流“层流化”,经过整流后的气流经过音速加速区5和喉部6后到达跨音速区7,此时的气流达到音速或超音速;当气流从出口8进入纬纱引射区9时,气流静压已大大低于纬纱流道内的大气压,负压作用使环境大气携带纬纱从引纬流道12进入纬纱引射区9;纬纱被吸入喷嘴内的纬纱引射区,经纬纱加速区10后被再次加速的高速气流在较长的导纱管C内对纬纱进行充分作用,使纬纱获得足够高的速度飞进梭口[2]。

2 物理模型的建立及数值模拟

2.1 主喷嘴的网格划分

(1) 建立几何模型。CFD计算的第一步是建立实体的几何模型,喷气织机主喷嘴的结构复杂且属于不规则形状,所以采用了三维UG软件建好喷嘴的几何模型,然后导入到NUMECA软件中的网格生成工具HEXPRESSTM软件中,由于NUMECA的计算区域为流体流过的空间,因此在HEXPRESSTM中不能直接对几何模型进行网格划分,而是要通过一些布尔运算,得到流道模型,再进行网格划分。

(2) 生成计算网络。生成网格质量,对于获得一个较好的数值解有很大的影响,将直接影响到计算精度和收敛速度[3]。随着外形的复杂化,生成结构网格越来越困难,费时费力的网格生成成了设计阶段的瓶颈。而非结构网格舍去了网格节点间的结构性限制,可以任意布置网格节点和单元,网格的大小和疏密很容易控制,一旦外形确定,可以快速地自动生成网格,准确描绘外形,具有优越的几何灵活性[4]。

喷气织机主喷嘴复杂且不规则形状的结构,使数值模拟要求较高,该计算网格采用非结构化网格[5]这样使得靠近各处壁面的网格分布较密集,远离壁面处网格分布较稀疏。这样生成的网格,既能满足计算要求,完整地描述流场特征,又能减少划分的网格数,减少计算内存和提高计算速度[6]。对于喷气织机主喷嘴来说,具体是在整流器部分、进口高压气流与第一气室相交部分和喷嘴的喉部都进行了相应的网格加密,以达到计算的准确性。

本文利用NUMECA的全六面体非结构网格流场数值模拟软件包FINETM/HEXA中的网格生成器HEXPRESSTM做前处理,依据上述原则进行网格划分,从而形成了全六面体非结构、非均匀的网格。依据上述原则建立的网格体系能够很好地适应模型的几何结构及流动特性,同时生成的网格正交性较好,能够满足适用于喷嘴的某些差分格式。该模型将整个三维计算域划分为1 201 806个全六面体非结构网格单元,可以得到很好的计算结果,如图2所示。

图2 主喷嘴整体网格

通过HEXPRESSTM软件对主喷嘴网格质量检查可以看出,喷嘴网格的最小体积无负体积。网格最小正交性角度为0.6°,正交性角有18°以内的网格数仅为219,故基本满足推荐的不小于5°的要求。网格长宽比最大的为143.943,符合推荐的低于5 000的要求,此外,在计算网格中,凹网格、扭网格数目都较少,因此,所建立的喷嘴网格完全满足计算要求。

2.2 参数的选择

NUMECA全六面体非结构网格流场数值模拟软件包FINETM/HEXA的流场求解器为HEXSTREAMTM,它的计算参数包括以下几个方面:

(1) 流动工作介质。该数值模拟的对象为主喷嘴,它的进气压力较低,在0.2~0.4 MPa之间,且压缩空气内含水分和杂质很少,因此在这里可作以简化,选择理想气体,它的属性不需要再做修改。理想气体的具体属性为:

热力学参数:定值CP,CP/CV;取CP=1 006 J/kg•K,CP/CV=1.4;传热参数:根据Prandtl定律,Prandtl=0.708;粘性参数:根据Sutherland定律,粘度为1.57×10-5 m2/s。

(2) 控制方程参数。主喷嘴的内部流动为三维湍流流动,因此流动方程选择基于密度的可压缩三维雷诺平均N-S方程组,Sparlart-Allmaras湍流模型,设定参考长度为0.005,参考速度为估计来流速度150,参考量~Nu/Nu=0.000 1。

(3) 边界条件。在边界处理上,远场边界采用的是基于入流/出流的简化边界条件[7]。在该主喷嘴气流的数值模拟分析过程中对于边界条件采用了以下参数:

入口边界条件 纬纱入口进口总压P=101 325 Pa,进口总温T=293 K,来流方向垂直于进口截面;高压压缩空气进口进口总压P=200 000 Pa,进口总温T=300 K,来流方向垂直于进口截面。

出口边界条件 在计算过程中,如果压力出口边界处存在回流,那么就需要指定回流条件,这样有助于解决回流出口的收敛困难问题。出口总压P=100 000 Pa,选择有回流。

壁面边界条件 主喷嘴侧壁面均为无滑移、绝热壁面。即u=v=w=0,k=0,ε=0。

(4) 其他条件。计算定义多重网格数为3;格式空间项采用二阶中心差分格式,时间项采用四阶龙格-库塔法,CFL数取为0.5;计算中当迭代次数为1 000步或者残差为10-5时,计算达到收敛停止计算。

2.3 收敛标准

只有当数值模拟的解达到收敛时,此模拟计算才能被认为是可靠的,因此对主喷嘴的网格计算同样需要判断解的收敛性。

图3分别为本文喷嘴计算中的全局残差和进出口流量的收敛曲线,在图3(a)中,全局残差下降4个量级,在┑200次迭代步可以看到全局残差突然上升,这是由于NUMECA使用多重网格法求解,在此处由粗网格向细网格转换所致。图3(b)为入口与出口质量流量收敛过程图,上面的那条线为出口质量流量,图中显示,入口与出口质量流量趋于一致,进出口流量相对误差为0.2%。由以上可知,计算符合收敛标准[8],所以本计算是合理的。

图3 全局残差和进出口流量的收敛曲线

3 计算结果与分析

所建立模型分别对流场轴向与径向的动压静压总压、流场的轴向与径向流速、马赫数进行了数值模拟,下面就流场的轴向径向流速模拟结果进行详细分析。

3.1 主喷嘴的轴向速度分布

图4为进口压力0.2 MPa时主喷嘴内部流场的轴向速度矢量图和喷嘴喉部和纬纱管出口汇合面处轴向速度矢量的局部放大图,图右侧的色标用不同的颜色表示了不同的速度值,通过不同的颜色就可大致看出流场内各位置的速度值。

由图4(a)可以得出以下结论:

(1) 从整体来看,喷嘴内部的气流流动比较流畅,高压压缩气体进入喷嘴后向上流动,进入环形气室内,气流因急转弯引起二次流动并产生漩涡,沿主喷嘴轴线方向流动,经过整流槽的整流出来后流入喷嘴喉部。在气流汇合区域也出现明显的回流、漩涡现象。

(2) 纬纱进口的速度由小变大,直到喉部出来的压缩空气和纬纱气流汇合出口处达到最大,且上下对称。在气流汇合出口形成了一个锥状射流区域。

(3) 在过了引射区后的导纱管中速度变化差异不是很大,直至导纱管出口。

图4(b)可以看出,喷嘴内的轴向速度在喉部后面纬纱管外侧处速度达到最大,已经超过了音速,在汇合气流出口处形成了一个喷射区域,此喷射区域呈锥状分布,此区域内的速度较小,向后和向外逐渐增大。此外,在纬纱引射区和喉部外侧所夹的中间部分出现了漩涡和回流现象,这主要是由于两股气流在此处开始互相掺合,彼此的动量发生变化所致。此漩涡和回流现象有可能使纱线在此发生卷曲和波动,应尽量使其大小和范围都缩小。

图4 主喷嘴内部流场轴向速度矢量图

3.2 导纱管横截面的切向速度分布

图5为主喷嘴导纱管横截面的切向速度分布云图。

由图示可以得出以下结论:

(1) 在导纱管中,切向速度沿着导纱管方向逐渐降低,经过一段距离后变得比较稳定。

(2) 在气流汇合处沿壁面法线不同距离的截面上,越靠近导纱管壁则速度越大,在截面中心向外有个较小的核心区域,速度较小,这主要是纬纱入口空气和高压空气汇合气流汇合在此形成的负压小区造成的。

(3) 经过负压区后,沿壁面法线不同距离的截面上,越靠近导纱管壁则速度越小,在截面中心核心区域速度大,且核心区域的面积比较大,这主要是由于固体壁面效应造成的,符合流体力学中的壁面速度变化理论。

图5 进口压力0.2 MPa切向速度云图

3.3 各截面y方向的速度曲线分布

图6为各截面y方向上的速度分布图,从该图可以看出,在y=0.009截面上速度波动最大,速度先变小再变大,不利于纬纱的稳定飞行,这是由于此截面处于负压小区。在y=0和y=0.005截面上速度波动逐渐变小,速度也是先变小再变大,只是没有y=0.009截面上的变化大。在y=-0.005,y=-0.01,y=-0.015速度波动较小,速度趋于稳定,这是由于这几个截面处于导纱管的引射区后段。

图6 各截面Vy曲线分布图

4 结 语

近年来,CFD技术在各个领域取得了很大的成就和发展,数值模拟的方法成为研究流体流动强有力的工具,是理论分析和实验观察研究不可替代的方法。本文成功地应用了CFD技术对喷气织机主喷嘴气流系统进行了三维数值模拟,对于了解实际系统流场特性并进一步提高喷气织机气流性能具有重要意义,在一定程度上为主喷嘴内部流场分析和结构设计奠定了一定的基础。通过对速度特性参数的分析可知,目前常用的组合式主喷嘴的结构完全可以满足纬纱的正常飞行条件,笔者认为可以利用数值模拟方法进一步对主喷嘴进行优化,┮皇仟利用数值模拟方法对整流器开展研究,选择合适的形状和数目;二是通过对主喷嘴进气压力的变化来分析各个工况下的优劣与差别,从而进一步确定主喷嘴的最优入口压力,达到节能的目的。

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