噴氣渦流紡噴嘴參數對內流場特性的影響

梁高翔， 王 青， 呂緒山， 黨 帥， 李佐超

(西安工程大學 機電工程學院， 陜西 西安 710048)

噴氣渦流紡是一種利用高速氣流對進入到加捻腔內的纖維自由端旋轉加捻的新型紡紗技術。與傳統環錠紡紗相比，其在紡紗工序、自動化程度、紡紗速度和能源消耗等方面都有較大優勢，且成紗條干的均勻性、毛羽指數等性能均有所改善，是目前市場上較具發展前景的紡紗技術[1-3]。因此，國內外學者們對噴氣渦流紡紗技術和噴氣渦流紡內流場的特性規律開展了大量研究。王青等[4]和Eldeed等[5]采用數值方法對噴嘴內流場進行了分析，并對噴嘴結構和工況參數的選擇和設計提出了建議。Ortlek等[6]提出更大的空心錠子內徑會產生更多的毛羽指數，Kuthalam等[7-8]認為空心錠子內徑過大會使包纏纖維更松弛，纖維束可以自由移動，會給粗支和中支紗帶來包纏損失、包纏松弛和毛羽增加的問題，Basal等[9]也指出較小的空心錠子直徑會降低毛羽指數。Ortlek等[10]分析了噴氣壓力和紡紗速度等工藝變化對紗線性能的影響。陳彩紅等[11]和任玉斌[12]分別采用數值方法和實驗方法分析了噴孔參數對噴嘴內流場的影響；鄒專勇等[13]、Sun等[14]和Pei等[15]研究了噴孔數量和噴孔傾角等結構參數對渦流場流動特征的影響，揭示了噴孔參數對氣流特性及流場內紗線加捻的作用規律。此外，鄒專勇等[16]還研究了噴氣渦流紡噴嘴中氣流狀態和成紗的相關性。Li等[17]研究了導引針至空心錠子的距離對紡紗質量的影響，認為1.5 mm的最佳距離能使紗線獲得較好的強力和較少的毛羽指數。尚珊珊等[18]研究了紡紗開始時刻、以及正常紡紗過程中內流場的氣流特性，并在流場分析中考慮了紗線的存在，分析了紗線的運動規律[19]。韓晨晨等[20]采用有限元方法分析了纖維在流場中的運動軌跡，且提出了一種自捻型噴氣渦流紡的創新技術[21]。郭臻等[22]建立纖維的三維運動模型，分析了纖維在流場中的運動和變形情況。袁龍超等[23]對近年來噴氣渦流紡的研究進展做了總結，并認為考慮纖維和氣流耦合影響關系的纖維-氣流流固耦合分析、提高噴氣渦流紡紗機適紡性的研究是今后主要研究方向。

綜上，大多數研究在分析時考慮的結構和工藝參數較為單一，且為了簡化模型，大都忽略了導引部件的影響，導致研究結果與真實情況有所偏差。鑒于此，課題組在考慮導引部件的基礎上，詳細探究噴孔數量、噴孔傾角和供氣壓力等參數對噴氣渦流紡內流場的影響規律。

1 模型建立

1.1 噴嘴結構建模

噴氣渦流紡噴嘴的作用是讓高壓氣流通過噴孔進入加捻腔形成高速旋轉氣流，以實現對纖維自由端的加捻，其主要結構圖1所示。噴嘴包括導引部件、噴孔、空心錠子、渦流管和引紗管。以迪卡爾坐標系定義：空心錠子入口面中心點為坐標原點，X軸為軸向(紗體輸出方向)，如圖1(c)所示坐標系。文中主要研究噴孔數量、傾角和供氣壓力等參數對流體域內的壓力、速度矢量、速度流線及湍流旋渦等的影響。為方便對比分析，在流體域各方向上建立了多個截面，包括XY平面(記為R1)和渦流管中的S1,S2,S3和S4截面。

圖1 噴嘴結構建模Figure 1 Nozzle structure modeling

1.2 網格劃分

采用數值方法求解控制方程時，需要將空間連續的計算區域離散化，然后求解所有離散區域的流體計算方程，因此首先要在計算區域上進行網格劃分。網格包括結構網格(六面體網格)和非結構網格(四面體網格)?？紤]到模型結構復雜度較高，課題組采用對復雜區域具有較好適應性的非結構網格，網格劃分情況如圖2所示。為了更精確地捕捉氣流的流動細節特性，對噴孔和渦流管等小尺寸結構和流場變化激烈的區域進行網格加密。

圖2 噴嘴內氣流場區域的網格劃分Figure 2 Meshing of flow field in nozzle

1.3 邊界條件設置

如圖1所示，根據噴氣渦流紡噴嘴的實際工作狀態，將噴嘴入口和噴孔入口分別設置為壓力入口1和壓力入口2，渦流管出口和引紗管出口分別設置為壓力出口1和壓力出口2。其中，只有噴孔(壓力入口2)的壓力根據供氣壓力大小進行設置，其余壓力入口和出口的壓力設置均為大氣壓。

課題組采用單一變量法分別研究噴孔數量、噴孔傾角和供氣壓力3個參數對噴嘴內流場的影響情況。設基準構型參數為：噴孔數量5、噴孔傾角70°和供氣壓力0.5 MPa，研究方案如表1所示。根據表1中的3種方案，針對共7個狀態分別進行結構建模、網格劃分及數值模擬仿真。

表1 研究方案

2 流場數值模擬及結果分析

2.1 基準構型內流場特性

首先對基準構型進行內流場分析，以明確流場運動規律?；贔LUENT軟件進行數值模擬，得到仿真結果如圖3和圖4所示。

圖3 基準構型流場速度和壓力特性Figure 3 Flow field velocity and pressure characteristics of reference configuration

圖3(a)～(b)分別為R1橫截面處的壓力云圖和速度云圖，由圖中可以明顯看出：導引部件的存在對加捻腔內的壓力分布和速度分布產生較大影響。受導引部件的影響，加捻腔內形成的低壓區并不規則，空心錠子入口面中心處附近的壓力分布不均勻，噴孔出口處氣流量大，氣流速度快，壓力值較低。從導引通道流入的氣流與部分噴孔流入的氣流在加捻腔內一側交匯，交匯氣流對由噴孔形成的旋轉氣流有一定程度的擾亂，同時也造成了加捻腔內的壓力分布不規則。圖3(c)為R1截面上的速度矢量圖。該矢量圖顯示：噴孔出口處氣流速度最大，從噴孔噴入的高速氣流與從導引通道流入氣體和部分引紗通道回流氣體在加捻腔內匯集混合，使得該處的湍流擾動較大，氣流流動方向混亂。此外，由于加捻腔內低壓區的存在，會導致引紗通道部分氣體回流，并在加捻腔內與從噴孔流出的高速氣體混合產生渦流，渦流的大小和位置取決于匯聚時不同氣流的速度大小和方向。

圖4(a)～(b)分別為渦流管內S1，S2，S3和S4截面處的速度云圖與速度矢量圖。由圖4可知，混合在加捻腔內的氣流可分為內部和外部2個部分。外部氣流主要受噴孔流入的高速氣流影響，在加捻腔回轉內壁結構的作用下形成高速旋轉氣流，并沿著紗體輸出方向(X軸正向)流動并逐漸擴散，最后從渦流管出口處流出；內部旋轉氣流則是從導引部件內流道吸入的回流，經螺旋型纖維導引通道結構作用，并在外部氣流的高速旋轉帶動下產生的，主要用于為纖維自由端的旋轉加捻過程提供作用力。此外圖4(a)的S4截面云圖還表明：由于橫截面積減小，外部旋轉氣流的速度值在一些位置還會增大。此外，由圖4(a)截面的速度云圖和圖4(b)的S1，S2截面處的速度矢量圖還可看出加捻腔內氣流交匯處的速度分布差異及混合渦流的形成，其分布受導引部件位置影響。

圖4 基準構型各截面速度分布Figure 4 Velocity distribution of each section of reference configuration

2.2 噴孔數量對噴嘴內流場的影響

由氣流靜壓、動壓與速度之間的關系可知：氣流速度高時，氣流靜壓低，即由氣流速度分布可以間接得到靜壓分布，因此從本節開始，后續僅對氣流速度進行分析。

圖5為在基準構型基礎上，不同噴孔數量n下流場仿真得到的速度矢量圖。由圖5可知：①由于噴孔管道內部和加捻腔之間存在壓力差，高壓氣體在流經噴孔時不斷加速，并在噴孔出口處達到速度峰值，約為500 m/s左右；②隨著噴孔數量的提升，速度峰值略有提升但提升幅度很小，原因是噴孔的結構尺寸和供壓條件相同，導致氣流在噴孔通道內的加速性能基本相當；③隨著噴孔數量的增加，從噴孔和導引部件內流道流入的氣流混合產生的渦流會逐漸減小，且加捻腔內氣流的旋轉性能顯著增強。因此在噴嘴設計時，可在滿足結構強度的前提下適度增加噴孔的數量，以有效提升對纖維自由端的加捻效果。

圖5 不同噴孔數量時的速度矢量圖Figure 5 Velocity vector diagram with different numbers of jet orifice

2.3 噴孔傾角對噴嘴內流場的影響

圖6為噴孔數量5個，供氣壓力0.5 MPa條件下，不同噴孔傾角時的速度矢量仿真結果。分析圖6可知：① 3種傾角狀態下的速度峰值非常接近，均在520 m/s左右。②隨著傾角從65°增加到70°，軸向氣流速度峰值從415 m/s增加到484 m/s左右，軸向速度顯著增大，而當傾角從70°到75°時軸向速度略有減小。③切向速度隨傾角的增加而顯著增大，且在噴嘴傾角65°到70°之間增長較為迅速，在70°到75°之間增速減小。軸向和切向速度分布特點都說明在噴嘴角度超過70°后，角度對速度的影響逐漸減弱。④處于導引部件螺旋面兩側的速度分布有明顯不同(仿真結果的速度正負差異是由噴孔位置方向所引起)，出現這種速度差異分布現象的原因主要與導引部件的存在有關，從導引部件內流道進入的氣流與噴孔流入的氣流交匯后對螺旋面一側的速度分布產生了較大影響。

圖6 不同噴孔傾角時的速度矢量圖Figure 6 Velocity vector diagram at different angle of orifices

由此可見，當噴嘴傾角增大時，從噴孔進入到渦流管內的氣流切向速度分量會隨之增大，這有利于提高加捻腔內氣流的旋轉特性，使紗線包纏得更緊密，紗線強度更高。噴嘴傾角的持續增大會使氣流的軸向分量先增大后減小(X軸正方向速度分量)，而軸向氣流速度的減小會讓紗線包纏更加緊密，使紗線較硬，斷裂伸長率降低，紗線易斷裂。所以噴嘴傾角的選擇應綜合考慮噴孔數量、供氣壓力等參數的影響，并結合仿真或實驗結果以確定最佳數值。

2.4 供氣壓力對噴嘴內流場的影響

圖7為在相同噴孔數量和噴孔傾角時，不同供氣壓力下仿真得到的速度矢量圖。分析圖7可知：①隨著供氣壓力的增加，經過噴孔管道加速的氣流速度也隨之增大。這是因為供氣壓力越大，噴孔內部和渦流管之間壓差越大，噴孔中氣流加速性越好。②供氣壓力越大，渦流管內氣流速度越高，氣流旋轉運動也越強，對紗線的加捻效果提高，因此供氣壓力對噴嘴內部的流場特性影響顯著，應該在考慮耗氣量的前提下盡可能提高供氣壓力。

圖7 不同供氣壓力時的速度矢量圖Figure 7 Velocity vector diagram at different air supply pressures

3 結論

基于CFD數值研究方法，考慮導引部件的作用，課題組分析了噴氣渦流紡內流場的特性，并在此基礎上，采用單一變量法依次研究了噴孔數量、噴孔傾角和供氣壓力對噴氣渦流紡內流場的影響規律，得出以下結論：

1) 由仿真結果分析可知，導引部件對加捻腔內流場的速度、壓力分布、湍流擾動、渦流的大小及位置、氣流旋轉特性和氣流軸向及切向速度分量大小都有影響，因此流場特性分析時不應忽視導引部件的存在。

2) 由噴孔進入的高壓氣流在加捻腔內形成低壓區，但受導引部件的影響，加捻腔內形成的低壓區并不規則，空心錠子入口面中心附近的壓力分布不均勻；且由于該低壓區的產生，噴管通道和加捻腔之間出現較大的壓力差，使得氣流在噴孔通道內的流動速度持續增大，并在噴孔出口處達到最大值。

3) 加捻腔與外界的壓力差會導致引紗通道部分氣體回流，并在加捻腔內與從噴孔流出的高速氣體混合產生渦流，渦流的大小和位置取決于匯聚時不同氣流的速度大小和方向。而從噴孔流入的高速氣流與來自導引部件內流道的氣流混合后也可能形成渦流，該處渦流的分布與導引部件的位置有關。

4) 混合在加捻腔內的氣流可分為內部和外部2個部分，外部氣流在加捻腔回轉內壁結構的作用下形成高速旋轉氣流，并沿著紗體輸出方向(X軸正向)流動并逐漸擴散，最后從渦流管出口處流出；內部的旋轉氣流則是從導引部件內流道吸入的回流，經螺旋型纖維導引通道結構作用，并在在外部氣流的高速旋轉帶動下產生的，主要用于為纖維自由端的旋轉加捻過程提供作用力。

5) 隨著噴孔數量的提升，內流道速度峰值略有提升但提升幅度很小，從噴孔和導引部件內流道流入的氣流混合產生的渦流會逐漸減小，加捻腔內氣流的旋轉性能則顯著增強。

6) 軸向氣流速度分量和切向氣流速度分量峰值的變化均較為平穩，但處于導引部件螺旋面兩側的速度分布卻有明顯不同，除卻由噴氣孔位置方向導致的影響外，出現這種速度差異分布現象的原因可能與導引部件的存在有關系，從導引部件內流道進入的氣流可能對螺旋面一側的速度分布產生了較大的影響。此外，當噴嘴角度超過70°后，角度對速度的影響逐漸減弱。

7) 隨著供氣壓力的增加，經過噴孔管道加速的氣流速度也隨之增大，氣流旋轉運動特性隨之增強，紗線加捻效果會有所提高。