喷气涡流纺喷嘴内气流流动的二维数值模拟.pdf

《喷气涡流纺喷嘴内气流流动的二维数值模拟.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《喷气涡流纺喷嘴内气流流动的二维数值模拟.pdf（5页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、第2 9 卷第1 1 期 2 0 0 8 年1 1 月 纺织学报 J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 9N o 1 1 N O V 2 0 0 8 文章编号：0 2 5 3 - 9 7 2 1 ( 2 0 0 8 ) ：1 0 0 2 6 - 0 5 喷气涡流纺喷嘴内气流流动的二维数值模拟 裴泽光，俞兆异，郁崇文 ( 东华大学纺织学院，上海2 0 1 6 2 0 ) 摘要 为探讨喷嘴内部气流流动特征对纤维加捻成纱的作用，建立计算流体动力学( C F D ) 模型，对喷气涡流纺喷 嘴中的气流流动进行二维数值模拟，并根据计算结果

2、分析喷嘴内高速气流的速度场和压力场分布。模拟结果表 明：气流的最大速度可达超音速，由于切向速度所产生的离心力和加捻作用，纤维的尾端从纤维束中分离出来，并 旋转加捻到纤维束上，形成具有真捻的纱线；喷嘴入口区域的压力小于外界气压，这有利于由前罗拉钳口处输出的 纤维束吸入喷嘴。研究还表明C F D 技术是研究喷气涡流纺喷嘴内气流流动的重要手段。 关键词喷气涡流纺；喷嘴；数值模拟；气流 中图分类号：T S1 0 1 2文献标识码：A T w o d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa i rf l o wi na na

3、 i r v o r t e x s p i n n i n gn o z z l e P E IZ e g u a n g ，Y UZ h a o s h e n g ，Y UC h o n g w e n ( C o l l e g eo fT e x t i l e s ，D o n g h u aU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i2 0 1 6 2 0 ，C h n a ) A b s t r a c tT oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fa i rf l o wi na na i r - v o

4、r t e xs p i n n i n gn o z z l eo ny a mf o r m i n gt h r o u g ht w i s t i n g f f l ) e rs t r a n d s 。ac o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( C F D ) m o d e lh a sb e e nd e v e l o p e dt os i m u l a t et h ea i rf l o w c h a r a c t e r i s t i c si na na i r - v o r t e xs

5、p i n n i n gn o z z l e T w o d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o na n ds t a n d a r dk 一t u r b u l e n c e m o d e li su s e d 1 1 l ec o m p u t a t i o n a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ev e l o c i t i e s i nt h e n o z z l ea r et r a n s o n i c V e l o c i t ya n d s t a t i cp r e s

6、 s u r ed i s t r i b u t i o n si nt h en o z z l ea r ep r e s e n t e da n da n a l y z e d D u et ot h ec e n t r i f u g a la n dt w i s t i n gf o r c e s g e n e r a t e db yt a n g e n t i a lv e l o c i t y ，t h er e a re n d so ft h ef i b e r sa r es e p a r a t e df r o mt h ef i b e rs

7、t r a n da n ds p r e a do u t T h e nt l I e y h e l i c a l l yw o u n dr o u n dt h ef i b e rs t r a n dt of o r mar e a l t w i s t e dy a m I nt h eu p s t r e a mo ft h ei e t o r i f i c e s ，t h ep r e s s u r e sa l el o w e rt h a nt h ea t m o s p h e r ep r e s s u r e ，w h i c hi sh e

8、l p f u lf o rs u c k i n gt h ef i b e rs t r a n d c o m i n go u tf r o mt h ef r o n tm l l e rn i pi n t ot h en o z z l e T h i sw o r ks h o w st h a tC F Dt e c h n i q u ec a np r o v i d eab e t t e r u n d e r s t a n d i n go ft h eb e h a v i o ro ft h eh i g hs p e e da i rf l o wi nt

9、h ea i r - v o r t e xs p i n n i n gn o z z l e K e yw o r d s a i r - v o r t e xs p i n n i n g ；n o z z l e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；a i rf l o w 喷气涡流纺( M V S ) 是在喷气纺纱( M J S ) 的基础 上发展起来的一种新型纺纱方法。它克服了传统喷 气纺纱的缺点，纺纱速度高( 最高速度可达 4 5 0m r a i n ) ，可纺制纯棉纱线。此外，喷气涡流纺纱 线有类似环锭纱的外观，具有较少的毛羽和均匀

10、的 条干 1 以】。目前对喷气纺纱b 。4 1 的研究较为成熟，而 对喷气涡流纺的研究还较少，到目前为止，大部分的 研究都停留在实验阶段”“- 。 与喷气纺相似，喷气涡流纺是利用喷嘴中产生 的高速旋转气流使纤维加捻成纱，因此，喷嘴是喷气 涡流纺的关键部件，对喷嘴内气流流动特征的研究 就显得至关重要。与喷气纺相比，喷气涡流纺的喷 嘴结构更加复杂，喷嘴内气流的流动特征也更为复 杂，用实验的方法来研究喷气涡流纺喷嘴内的气流 流动特征有一定的困难。随着计算机技术的发展， 基于计算流体动力学( C F D ) 的数值计算方法成为研 收稿日期“ 2 0 0 7 1 1 1 2 修回日期：2 0 0 8 0

11、 2 2 6 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目( 2 0 0 4 0 2 5 5 0 0 9 ) 作者简介：裴泽光( 1 9 8 2 一) ，男，博士生。研究方向为喷气涡流纺相关理论与工艺。郁崇文，通讯作者，E - m a i l ：y u c w d h u e d u c n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第1 1 期裴泽光等：喷气涡流纺喷嘴内气流流动的二维数值模拟 2 7 究流体流动特征的重要手段。本文应用商用流体计 算

12、软件F L U E N T 对喷气涡流纺喷嘴内气流流动特征 进行二维数值模拟，并根据计算结果对喷嘴内气流 速度和压力分布进行分析。 1 模型的建立 本文所采用的喷气涡流纺喷嘴的二维结构图见 图1 。考虑到导纱针的尺寸较小，为简化起见，计算 时不考虑导纱针的影响。喷嘴的计算区域如图2 所 示。图中所示喷嘴的各结构参数如下：d ，= 1 0i n l n ， d 2 = 4I T l l n ，d 3 = 3m n ，d 4 = 1m m ，d ，= 4m i l l ，d 6 = 7m i l l ，d 7 = 1 1I 姗，d 。= 0 4 姗，f l = 1 0n 皿，f 2 = 2m n

13、，Z ，= 1 4m i l l ，f 4 = 1 0n l m ，Z 5 = 1 5n i l n ，Z 6 = 7m m ， Z 7 = 1 5 咖，f s = 5 5m i l l ，喷孔倾角0 = 4 5 。 喷二蓖一 II 加捻室L x 一 哽扎1 = - _ L _ 1 空心管 图1 喷气涡流纺喷嘴二维结构图 F i g 1 T w o - d i m e n s i o n a ls c h e m a t i cd i a l 乒哪o f t h ea i r - v o r t e xs p i n n i n gn o z d e A 图2 喷气涡流纺喷嘴计算区域图 F i

14、 g 2G e o m e t r yo ft h ec o m p u t a t i o n a ld o m a i n o ft h ea i r - v o r t e xs p i n n i n gn o z z l e 1 1 控制方程 考虑到喷气涡流纺喷嘴内的高雷诺数，喷嘴内 的气流流动为湍流形式。由于气流高速运动，故需 考虑气体的压缩性，因此喷嘴内气流流动模型为可 压缩、黏性、湍流模型。模型满足的雷诺平均控制方 程如下。 动量方程： V ( p u u ) = 一V p + V r + ( 1 ) 质量方程：V ( 艘) = 0( 2 ) 能量方程： V ( p u t )

15、 = V ( 砉VT + S ， ( 3 ) 、。P 式中：为速度矢量；r 为应力张量；厂为单位质量流 体上所受到的质量力；P 、P 、T 分别表示密度、绝对 静压力和温度；k 为热传导系数；c ，为定压比热；S ， 为黏性耗散项。 考虑到气体的可压缩性，需补充理想气体状态 方程 P = p R T ( 4 ) 式中R 为气体常数。 本文用标准k e 湍流模型 9 ，采用隐式有限 体积法求解控制方程，对流项采用一阶迎风格式离 散，用S I M P L E 算法 1 们对流场进行求解。 1 2 网格生成和边界条件设定 采用分块网格技术，在整个二维计算区域生成 结构化网格。边界条件的设定如下。 压

16、力入口边界：2 个喷孔，压力为0 5M P a ( 根据 实际工业生产确定) ；喷嘴人口压力等于外界大 气压。 压力出口边界：空心管出口和加捻室出口，压力 等于外界大气压。 固体壁面：遵循无滑移边界条件。 舛 2 结果与讨论 根据建立的模型与求解方法，对喷气涡流纺喷 嘴内气流流动进行数值模拟，获得喷嘴内气流的速 度场和压力场。由于模拟是二维的，仅能获得切向 和轴向速度。 2 1 速度矢量图 图3 , 4 分别为模拟的喷嘴内气流流动的速度矢 量图和马赫数云图。从图中可知，气流在喷孔中加 速，高速喷射进入加捻室，马赫数最高可达1 4 8 ，这 表明气流速度达到超音速。由于空心管的存在，喷 嘴内气流

17、的流动特征较为复杂。当气流喷射入加捻 室之后，气流速度迅速降低，但喷孔出口处的气流速 度仍然较高。气流在空心管人口附近以高速旋转， 使纤维束加捻成纱。由图3 可知，从喷孔中喷射出 的气流冲击到空心管上，随后向喷嘴壁面方向流动。 当气流冲击到壁面上后又改变了方向。由于射流的 卷吸作用，产生2 个对称的涡。最终气流从加捻室 的出口排出喷嘴。 卜_ 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 8 纺织学报第2 9 卷 ( b ) 空心f 图3 喷嘴内气流速度矢量

18、图 F i g 3V e l o c i t yv e c t o r si nt h en o z z l e ( a ) I nt w i s t i n gc h a m b e r ； ( b ) I na i rc h a m b e ra n dy a mp a s s a g et h o a g ht h es p i n d l e 图4 马赫数分布云图 隐4 C o n t o u r so fM a c hn t l m b e r 2 2 切向速度 切向速度的作用是产生使纤维在喷嘴内进行加 捻运动所需的旋转力。切向速度的模拟结果如图5 所示。图中正值表示离心速度，负值表

19、示向心速度。 在喷孔出口和空心管人口附近，切向速度为负值，且 其绝对速度较高。由于切向力的作用，纤维须条被 加捻成纱。在空心管人口外侧附近，切向速度为正 值。由于此处气流的离心速度，纤维的末端从纤维 束中分离出来并向外伸展。这些纤维倒伏在空心管 锥面上，经旋转气流的作用加捻到纤维束上进而 成纱。 单位：m s 。 图5 切向速度分布云图 F i g 5 C o n t o u r s0 ft a n g e n t i a lv e l o c i t y 图6 为A A 截面切向速度沿径向的分布图。 图中表明，随着距喷嘴轴线径向距离的增大，切向速 度逐渐增大，达到一最大值。随着此距离向壁面方

20、 向继续增大，切向速度值迅速减小。可见，本文模拟 得到的切向速度分布与文献 1 1 模拟的喷气纺喷嘴 气流切向速度分布相似 I 。根据本文的模拟结果， 喷气涡流纺喷嘴气流切向速度分布沿径向可分为 2 个区域，内部区域为似固体旋转区，切向速度与距 喷嘴轴线的径向距离成正比；外部区域为自由涡，切 向速度与距喷嘴轴线的径向距离成反比。本文模拟 得到的喷气涡流纺喷嘴内气流切向速度分布与文献 1 2 对涡流场研究的结果一致。 f 喜 、 毯 稍 垣 B 图6A A 截面切向速度沿径向分布图 F i g 6T a n g e n t i a lv e l o c i t yd i s t r i b u

21、t i o n sa ts e c t i o nA A 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第1 1 期裴泽光等：喷气涡流纺喷嘴内气流流动的二维数值模拟 2 9 2 3 轴向速度 轴向速度的分布云图如图7 所示。由图可知， 位于喷孔上游喷嘴轴线附近的区域存在回流区。由 于回流的作用，纤维易从纤维束中分离出来，这是形 成捻度所必须的。在喷嘴入口附近，回流区沿径向 有所扩展，但气流速度有所减小。在壁面附近，轴向 速度变为正值。 单位：m s o 图7 轴

22、向速度分布云图 F i g 7C o n t o u mo fa x i a lv e l o c i t y 图8 为A A 截面轴向速度沿径向的分布图。 图中负值表示回流，其速度随径向距离的增加而逐 渐减小到零。随着径向距离的继续增加，轴向速度 变为正值并逐渐增大。在喷嘴壁面附近，由于气流 与壁面的摩擦作用，轴向速度迅速减小为零。 暑 导 餐 足 幕 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 5 0 l 一1 5 0 2 0 0 - 2 0 一1 5 一1 o _ 0 50 0 5 1 01 52 0 加捻室直径m m 图8A A 截面轴向速度沿径向分布图 F

23、 i g 8 A x i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n sa ts e c t i o nA A 2 4 静压分布 图9 为模拟的喷嘴静压分布云图。由图可知， 在中心轴线上空心管入口附近的一点处压力达到最 大值。由此点向外，压力逐渐降低。在此最大压力 点处，纤维束受到的加捻作用力最强。图1 0 为静压 沿喷嘴轴线分布图。由图可知，喷孔上游处的压力 低于外界气压，由前罗拉钳口处输出的纤维束因此 易被吸入喷嘴。在喷孔附近，压力值突然迅速增大， 然后又迅速降低。从空心管人口向空心管内部，压 力值逐渐降低。在空心管内引纱通道的突扩区域， 压力减小为

24、最小值，因此纱线易被吸入空心管中，继 而从喷嘴中输出。在空心管出口附近，压力值逐渐 接近外界气压值。 单位：M P a 。 图9 静压分布云图 F i g 9 C o n t o u r so fs t a t i cp r e s s u l ： 、 厂 V O 隐1 0 1 02 03 04 05 07 0 轴向位置r u m 图1 0 静压沿喷嘴轴线分布图 s t 出cp I 蜘鲥糟d i s t r i b u t i o n sa l o n gt h el l o g g l ea x i s 3 结论与展望 本文利用流体计算软件F L U E N T ，采用k e 湍 流模型对喷

25、气涡流纺喷嘴内气流场进行了二维数值 模拟，得到喷嘴内气流的速度场和压力场。由模拟 结果可知，气流的最大速度可达超音速，并获得了切 向和轴向速度分布。A A 截面的切向速度分布与 前人对涡流场的研究相似。由于切向速度所产生的 “ ：2 ” M B n n m n m n n n 仉 n n n 仉 l d 蒌田 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 3 0 纺织学报 第2 9 卷 离心力和加捻作用，纤维的尾端从纤维束中分离出 来，并旋转加捻到纤维束上，形成

26、具有真捻的纱线。 存在于喷孔上游的回流区有利于纤维的分离。喷嘴 入口区域的压力小于外界气压，有利于由前罗拉钳 口处输出的纤维束吸入喷嘴。 今后的工作是建立喷嘴内气流流动的三维模 型，以同时获得旋转气流的切向、轴向和径向速度分 布。其次，可利用C F D 技术作为对实验的补充，研 究喷嘴设计参数和工艺参数对喷嘴内气流流动特征 的影响，继而研究这些参数对纱线结构和性能的 影响。 参考文献： I M a t s u m o t oT M u r a t e ca i ry a r nf o r m i n gg e n e r a t i o n s J C a n a d i a nT e x t

27、 i l eJ o u r n a l ，2 0 0 1 ，1 1 8 ( 3 ) ：1 6 2 0 2 O x e n h a mW I n n o v a t i o n si ns p u ny a r nt e c h n o l o g i e s p r e s e n t a n df u t u r e J I n d i a nJ o u r n a lo fF i b r e T e x t i l eR e s e a r c h ， 2 0 0 6 。3 1 ：1 1 6 1 2 4 3 邢明杰，郁崇文，唐佃花，等喷气纺第二喷嘴结构参 数的研究 J 纺织学报，2 0 0

28、 5 ，2 6 ( 6 ) ：3 0 3 2 4 唐佃花，赵明良，丛森滋，等第一喷嘴结构参数对喷 气纱强力的影响 J 纺织学报，2 0 0 7 ，2 8 ( 1 ) ：2 5 2 7 B a s a lG ，O x e n h a mW V o r t e xy a r nV f l a i r - j e ty a r n J A u t e xR e sJ ，2 0 0 3 ，3 ( 3 ) ：9 6 1 0 1 S o eAK ，T a k a h a s h iM ，N a k a j i m aM ，e ta 1 S t r u c t u r ea n d p r o p e r

29、t i e so fM V Sy a r n si nc o m p a r i s o nw i t hr i n gy a r n sa n d o p e n - e n dr o t o rs p u ny a m s J T e x tR e sJ ，2 0 0 4 ，7 4 ( 9 ) ： 8 1 9 8 2 6 O r t h kHG ，U l k uS E f f e c to fs o m ev a r i a b l e so np r o p e r t i e s o f1 0 0 c o t t o nv o r t e xs p u ny a r n J T e x

30、 tR e sJ ，2 0 0 5 ， 7 5 ( 6 ) ：4 5 8 4 6 1 B a s a lG ，O x e n h a mW E f f e c t so fs o m ep r o c e s sp a r a m e t e r s o nt h es t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fv o r t e xs p u ny a r n J T e x t R e sJ ，2 0 0 6 ，7 6 ( 6 ) ：4 9 2 4 9 9 L a u n d e rBE ，S p a l d i n gDB L e c t u r

31、 e si nM a t h e m a t i c a l M o d e l 8o fT u r b u l e n c e M L o n d o n ：A c a d e m i cP r e s s 1 9 7 2 ：5 5 P a t a n k e rSV ，S p a l d i n gDB Ac a l c u l a t i o np r o c e d u r ef o r h e a t ，m a s sa n dm o m e n t u mt r a n s f e ri nt h r e e - d i m e n s i o n a l p a r a b o

32、l i cf l o w s J I mJH e a tM a s sT r a n s f e r ，1 9 7 2 ，1 5 ： 1 7 8 7 1 8 0 6 ， z e I l gYC ，Y uCW N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa i rf l o wi nt h e n o z z l eo f 舳m r - j e ts p i n n i n gm a c h i n e J T e x tR e sJ ， 2 0 0 3 。7 3 ( 4 ) ：3 5 0 3 5 6 张文赓纺织气流问题 M 北京：纺织工业出版社， 1 9 8

33、9 ：2 3 6 2 3 7 欢迎订阅合成纤维 合成纤维是国家科委批准发行的由中国纺织信息中心和上海市合成纤维研究所出版发行的合纤 类专业科技刊物，主要报道我国合成纤维工业的新产品、新技术、新设备的研发进展、加工应用以及纤维 产业链的技术进步和发展趋势，注重理论与实践相结合，技术与经济相结合，技术性强、信息量大、覆盖 面广，是合成纤维生产技术人员、管理人员、企业决策者及科研院所、高等院校师生等必不可少的优秀 读物。 合成纤维是中国科技论文统计源期刊，被中国核心期刊( 遴选) 数据库、中国期刊全文数据库 ( C J F D ) 、中国学术期刊综合评价数据库( C M C E D ) 、中文科技期

34、刊数据库、中国科技期刊精品数据库全文 收录。 合成纤维主要栏目有：行业论坛、研究论文、专题综述、产品开发、生产技术、测试标准、设备与电 器、油剂助剂、应用纵横、市场追踪、行业动态等，每期滚动刊出。出版刊号：C N 3 1 1 3 6 1 I S S N l 0 0 1 7 0 5 4 ；邮发代号4 2 3 8 ；大1 6 开本；每月2 5 日出版；国内外公开发行；每期8 元，全年1 2 期，定价9 6 元。 欢迎广大新老读者到当地邮局订阅，亦可向编辑部直接办理订阅手续。 联系方式：上海市平凉路9 8 8 号3 号楼3 2 4 6 室( 2 0 0 0 8 2 ) ( 合成纤维编辑部 电话：0

35、2 1 5 5 2 1 6 1 6 5 ，5 5 2 1 4 3 2 0 ，5 5 2 1 0 0 11 4 5 8 传真：0 2 1 5 5 2 1 4 3 2 0 E m a i l ：h c x w b j b 1 6 3 c o r n ( 广告) ；h c x w c h i n a j o u m a l n e t c n ( 投稿) 1 J 1 j 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 5 6 7 8 9 m n 挖 r L r L r L r L r L r L r L r L 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark