喷气涡流纺喷嘴内部三维流场的数值研究.pdf

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1、第2 9 卷第2 期 2 0 0 8 年2 月 纺织学报 J o u m a lo fT b x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 9 F e b N o 2 2 0 0 8 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 8 ) 0 2 0 0 8 6 一0 4 喷气涡流纺喷嘴内部三维流场的数值研究 邹专勇，俞建勇，薛文良，程隆棣 ( 东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海2 0 1 6 2 0 ) 摘要采用3 Dc F D 建立喷气涡流纺喷嘴结构模型，应用n u e n t6 2 流体计算软件对模型内气流场进行数值模 拟，表征了喷嘴内部三维流场的流

2、动状态，解析了喷嘴内气流流场的压力场和速度场分布，分析了流场与成纱机制 的相关关系。研究表明：压缩气流经喷孑L 后在喷嘴内形成三维旋转气流，切向、轴向气流速度分布符合旋转气流理 论；切向气流对边缘自由端纤维加捻，轴向气流对纤维束的牵伸作用可忽略，径向气流对纤维束起膨胀作用，在切 向气流作用下获得更多的包缠纤维；喷嘴内部静压呈u 形分布；边缘自由端纤维在不同位置加捻程度的差异导致 纱线捻度不匀。 关键词喷气涡流纺；喷嘴；流场；模拟；成纱机制 中图分类号：T S1 0 1 2文献标识码：A N u m e r i c a ls t u d yo ft h r e e - d i m e n s i

3、 o n a ln o wf i e l di 璐i d et h e n o z z l eo fa i rj e tV o r t e xs p i n I l i n g Z O UZ h u a n y o n g ，Y UJ i a n y o n g ，X U EW e n l i a I l g ，C H E N GL o n g d i ( 研如6 0 m 如砂矿死z 砒& 拓n c e & 死曲加f o g y ，施n 蠡打y 矿删“渤n ，D o 嘞妇“ 毋，S 7 把n 曲8 i2 0 1 6 2 0 ，吼i n 。) A b s 仃a c tAt h r e e 。d

4、i m e n s i o n a lc o m p u t a t i o n a l l u i dd y n a m i c sm o d e lw a sd e V e J o p e dt os i m u l a t et h en o w i e l d i n s i d et h en o z z l eo fa i rj e tV o r t e xs p i n n i n gw i t h3 一DC F D & F l u e n t6 2 F l o w i n gs t a t e ，d i s t r i b u t i n go fs t a t i c p r

5、 e s s u r ea n dv e l o c i t yi n s i d e t h en o z z l eo fa i rj e tv o r t e x 印i n n i n gw e r ec h a m c t e r i z e da n da n a l y z e d R e l a t i o n s h i p b e t w e e nn o w i n gs t a t ea n ds t m c t u r eo ft h ey a mw a sa l s od i s c u s s e d T h er e s e a r c hs h o w st h

6、 a tc o m p r e s s i v ea i r t h r o u g ht h ej e to r i 6 c ec o m e si n t ob e i n gt h r e e d i m e n s i o n a lw h i r l ya i m o wi n s i d et h en o z z l e ，t h et a n g e n t i a la i r f l o w a n dt h ea d a la i m o wa r ef i tf o rt h et h e o r yo fs 诵d i n ga i r f l o w ，t h et

7、a n g e n t i a lV e l o c i t yt w i s t so p e n t r a i le n de d g e f i b e r s ；t h ed m wd k c to ft h ea x i a lv e l o c i t yt of i b e r sm a yb en e g l e c t e d ；t h er a d i a lV e l o c i t ym a k e st h ee d g eo p e n t m i le n df i b e r si nt h em a i nn o z z l e b e g i n t oe

8、 x p a n dt ol e ty a mg e tI n o r ew r a p p e rf i b e I s ，s t a t i c p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n st a k eo nt h eUs h a p ea l o n gn o z z l em d i u s ，t h er e a s o no ft 诵s ti r r e g u l a r i t yo fa i rj e tv o r t e xy a mi st h e d e g I e et w i s t e da td i f f e l n t

9、p o s i t i o ni sd i f 耗I e n t f o rs e p a m t e de d g eo p e n - t r a 1e n df i b e I _ s K e yw o r d s a i rj e tv o r t e xs p i n n i n g ；n o z z l e ；n o wf i e l d ；s i m u l a t i o n ；y a mf o 珊a t i o n 喷气涡流纺是利用压缩空气经喷孔形成高速旋 转气流，形成中心负压场以吸入经过牵伸的纤维流， 再对集聚于空心锭子顶端的自由端纤维加捻成 纱nJ 。H u s e v

10、i nG 捌O r t l e k 等人探讨了纺纱速度、喷 气压力、纺纱支数等工艺变化对纱线性能的影响托1 ； A u n gK y a wS o e 等人分析了喷气涡流纱与环锭纺、转 杯纺纱的结构与性能差异b 1 ；G u l d e m e tB a s a l 和GK T y a g i 等人系统研究了喷气涡流纺工艺、纱线结构与 性能三者问的关系H “。，但是未见对喷气涡流纺喷 嘴内部流场流动特征的分析报道。 本文主要对喷嘴内部流场特性进行表征与分 析，以利于深层次探索喷气涡流纺成纱原理，以及与 纱线结构的相关关系。 1 计算流体动力学模型的建立 1 1 喷嘴结构模型 喷气涡流纺中，压缩

11、空气通过4 个喷孑L 沿喷嘴 收稿日期：2 0 0 7 一0 4 0 2修回日期：2 0 0 7 一0 7 2 6 作者简介：邹专勇( 1 9 8 2 一) ，男，博士生。主要研究方向为纺纱关键元器件结构与纱线性能的相关性。程隆棣，通讯作者， E m a i l ：l a c h 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2 期邹专勇等：喷气涡流纺喷嘴内部三维流场的数值研究 8 7 。 内壁切向进入主喷嘴，形成旋转气流对

12、聚集于空心 锭子处的边缘自由端纤维进行加捻，然后从出口处 排出。本文基于M u r a t aN o 8 6 1 的喷嘴结构模型，以 喷孑L 与入口平面夹角臼= 3 0 。为例，结合相应结构参 数( 喷嘴入口直径D = 4 4m m ，喷嘴出口直径D 。= l lm m ，喷孔直径d = 0 5m m ，喷嘴各段高度分别 喷嘴入口 ( a ) 流场模拟区域 出口 为：日l = 1 8 5m m 、H 2 ：5 2 5m m 、H 3 = 5 9m m ，空 心锭子入口外径D ，= 1 4m m ，空心锭子出口外径 D ，= 9m m ) ，应用3 D 图形设计软件建立c F D 计算 模型(

13、喷嘴结构如图1 所示) ，用F l u e n t6 2 计算软件 进行流体数值计算，讨论喷嘴内部三维流场流动特 征及对喷气涡流纺纱工艺的影响。 I + 一D l _ b ) 喷孔的截面投影图( c ) 流场模拟区域的主视图 图1 计算流体动力学模型 F i g 1C 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 l ( a ) S c h e m a t i cI n o d e lo ft h ec o m p u t a t i o n a lz o n e ； ( b ) P r o j e c t

14、i o no fs e c t i o n t h ej e to r i f i c e ；( c ) E l e v a t i o no ft h ec o m p u t a t i o n a lz o n e 1 2 模型假设与系统描述固体壁面：采用无滑移边界条件，“。= M ，= 条件假设：u ：= 0 。 1 ) 单纤维经前罗拉牵伸后纤维束定量较轻，占 主喷嘴的体积较小，可忽略不计，即须条不影响喷嘴 内部流场的流动特征； 2 ) 喷嘴尺寸小，平均流速较高( 喷孑L 入口流速 u 。= 2 1 7 8I I l s ) ，喷嘴内部气体流动属湍流，流场模 拟采用标准七一湍流模型及壁

15、面函数法； 3 ) 气流流过喷嘴内部时间较短，为简化计算， 令喷嘴内部气流为等焓流动，同时令喷嘴内部气流 为黏性、不可压缩气流。 1 3 边界条件设定与网格划分 对称边界：喷嘴入口平面与空心锭子入口平面 指定为对称边界。 进口边界：指定4 个喷孔入口为速度进口边界。 进口速度可根据等焓流动求得“ J ，本文设定进口速 度初值H 。= 2 1 7 8 耐s 。因喷孔与主喷嘴内壁面相 切，则初始轴向速度为“。= “。s i n 曰，切向速度为 u i = u o c o s 目。 出口边界：因主喷嘴出口未与大气直接相连，放 出口边界定为出流边界( o u t f l o w ) 。 网格划分：采用

16、混合网格( 四面体和六面体网 格) ，网格主要为四面体，网格分点间隔长度为 O 2 5m m 。 2 结果与分析 2 1 喷嘴内部三维流场的流动特征 喷嘴内部三维流场流动特征的数值计算结果见 图2 。4 。图2 ( a ) 表明：压缩空气经过喷孔后在喷嘴 内部形成旋转气流，也可由图2 ( b ) 粒子迹线得到证 实。图3 和图4 ( a ) 表明了喷嘴内部及各纵横截面相 对大气压的静压分布图，从纤维输人端到空心锭子 入口平面区域，静压为负值，有利于单纤维在导引针 的引导下顺利吸入喷嘴，同时喷孔入口及沿喷嘴出 口方向静压较高，这易使倒伏在空心锭子外表面的 尾端纤维很好地贴服，从而提高加捻的效率。

17、 图4 ( b ) 也表明了流速的变化，旋转气流向喷嘴出口 推进过程中流速逐渐减小，旋转气流对集聚于空心 锭子入口处的自由尾端边缘纤维加捻将消耗大量动 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 8 8 纺织学报第2 9 卷 能，会加剧气流的衰减速度。 ( a ) 喷嘴内部及横截面矢量图( b ) 自喷孔入口到出口的迹线图 图2 喷嘴内部流场流动状态 F i g 2n o w i n gs t a t eo ft h ef l o w6 e l da t n

18、o z z l ei n t e r i o r ( a ) V e l o c i t yv e c t o r sa tn o z z l ei n t e r i o ra n ds e c t i o n ； ( b ) P a t hl i n e sc o l o r e db yp a r l i c l eI Da tn o z z l ei n t e r i o r 图3 喷嘴内部及横截面静压分布图 F i g 3 C o n t o u r so fs t a t i cp r e s s u r ei nn o z z l e i n t e r i o ra n dc

19、 r o s ss e c t i o n ( a ) 嬲平面静压分布( b ) 彪! 平面速度分布 、 图4 昭平面静压与速度分布图 F i g 4 C o n t o u r so fs t a t i cp r e s s u r e ( a ) a n dV e l o c i t y ，m a 印i t u d e ( b ) a tp r o f i l e 2 2 喷嘴内部流场的静压分布与分析 喷嘴内部静压分布影响喷气涡流纺纱工艺的制 定及纱线结构。图5 示出魈剖面不同z 值( 沿喷 嘴轴线坐标取值) 时静压沿半径分布规律，呈u 形 分布。喷嘴中心区域静压最低，随半径的增大，静压

20、 值增大。静压的u 形分布有利于单纤维顺利进入 空心锭入口，同时保证芯纤维处于平行伸直状态。 喷嘴中心处负压过小，可减缓纤维吸人喷嘴的速度， 有利于纤维顺利进入空心锭子人口，但不利于纤维 伸直平行，反之亦然。 芷 出 稻 喷嚼半径“m “ 图5朋剖面不同z 值时静压沿半径分布 F i g 5 S t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n sa t X Zp r o 矗l e a l o n gn o z z l er a d i u sw i t hd i r e n tZv a l u e s 2 3 喷嘴内部流场的速度分布与分析 喷嘴内

21、部流场速度分布状态主要决定了喷气涡 流纱的结构与特性，对喷嘴内部流场规律的把握也 是优化喷嘴结构参数的基础。图6 示出朋剖面不 同z 值时速度沿半径分布规律。 切向气流符合旋转气流理论旧。，即气流旋转区 分为势流旋转区和似固体旋转区。势流旋转区位于 靠近喷嘴内壁区域，切向流速与半径成反比，半径越 大，切向流速越小；当压力降到某一临界值时，势流 旋转区转变成似固体旋转区，切向流速与半径成正 比。图6 ( a ) 表明离喷孔距离越远，切向流速越小； 切向速度沿喷嘴轴向与径向存在差异，就单根边缘 自由尾端纤维而言在不同位置加捻程度不同，这是 造成喷气涡流纱捻度不匀的重要原因；空心锭子对 气流场产生影

22、响，接近空心锭子处的切向流速降低， 但降低幅度较小。图6 ( b ) 表明轴向速度也具有切 向速度的变化规律，但是喷嘴中心区域轴向速度很 小，对纤维束的牵伸作用可忽略；靠近喷嘴壁面轴向 气流较大，易使自由尾端纤维倒伏在空心锭表面；此 外空心锭子造成空心锭顶端存在少量回流。 图6 ( c ) 表明径向速度较小，波动较大，这有利于进 入喷嘴中边缘自由尾端纤维在气流作用下膨胀，从 而在切向气流作用下获得更多的包缠纤维。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第

23、2 期 邹专勇等：喷气涡流纺喷嘴内部三维流场的数值研究 8 9 f l 宣 趟 蝴 匠 恳 喷嘴半径，m “ ， l 宴 ￥ 划 蜊 匠 暴 0 _ 2O l00 0102O3 O 喷嘴半径，m m ( a ) 肥剖面不同z 值时切向速度沿半径分布 ( b ) 船剖面不同z 值时轴向速度沿半径分布 ， l 富 ￥ 型 瑙 厦 搿 喷嘴半径m m ( c ) 炮剖面不同z 值时径向速度沿半径分布 图6 昭剖面不| 一Z 值时速度_ 待半径分布规律 F i g 6V e l o c i t yd i s t r i b u t i o n sa t 朋p m 6 ka l o n gn o z z

24、 l e r a d i u sw i t hd i f b r e n tZv a l u e s ( a ) 7 r a n g e n t i a lv e l o c i t y ； ( b ) A x i a lv e l o c i t ) r ；( c ) R a d i a lv e l o c i t y P r o c e e d i n g so f E F sc o n f e r e n c e ， s 1 1 9 9 9 ：1 7 3结论 2 H u s e y i nG a z io n l e k ，s u k r i y eu l k u E f f e c

25、t 。fs 。m eV a 曲b l e s o np m p e r t i t i e so f1 0 0 c o t t o nv o r t e xs p u ny a m J 7 r e x t i l e 1 ) 压缩气体经喷孔后在喷嘴内部形成三维旋 R 8 8 8 “hJ 。”8 1 ，2 0 0 5 ，7 5 ( 6 ) ：4 5 8 4 6 1 转气流，向喷嘴出口螺旋推进且流速逐渐衰减。 3 A u n gK y a ws o 。T a k a h 8 8 “iM 8 8 ”。i N 8 k a j i ”8M 8 8 “，。 2 ) 空心锭入口平面及向上垂直区域静压值较 t

26、 s t m d 眦”ol p ”p e n i e 8 ，甜M V S7 8 “i n ，? ：d 8 ：“ 小，利于纤维须条进入空心锭入口，且喷嘴内部静压 R 。s e 。阳i ；。u 。l ，2 0 矗，7 4 ( 9 ) ：8 1 ；一8 ；6 一 呈u 形分布。空心锭对喷嘴内部气流场存在影响， 4 G u l d 。m 。tB 。a 1 n 。咖。t 。陀。dp 。p 。r t i 。0 f ，o n 。；。d 在空心锭顶端存在少量回流。 。m p a c t 。p u 。y 。r n 。 D u s A ：Ncs t a t eu n i ，e r s i t y ， 3 ) 喷嘴

27、内部切向、轴向速度符合旋转气流理2 0 0 4 论，切向气流主要对边缘自由尾端纤维加捻，轴向气 5 T y a g iGK ，D h i r e n d ms h a m a P r o c e s s _ s t m c t u r e p m p e r t y 流对纤维束的牵伸作用可忽略，径向气流主要对边 r e l a t i o n s h i po fp o l y e s t e r c o t t o nM V sy a m s ：P a nI 一 缘纤维起膨胀作用，在切向气流作用下获得更多的 i I l n u e n c eo f p r o c e s s i n g V

28、 a r i a b l e so n y 锄s t n I c t u r a l 包缠纤维。 p a r a m e t e r s J I n d i a nJ 。u m a l0 fF i b r e & T e x t i l eR e s e 盯c h ， 4 ) 气流切向速度沿喷嘴轴向与径向的速度差2 0 0 4 ，2 9 ：4 1 9 4 2 8 异导致边缘自由尾端纤维在不同位置加捻程度不 61 T y a g i ( | K ? “i ? d mS h 8 “8 胁。8 8 谢m 。“陀一p ? n y 同，致使纱线捻度产生不匀。 。1 ， 。 。：、 对喷气涡流纺的数值模拟

29、可以清晰地了解加捻 I n d i 。nJ o u m a lo fF i b r e & T e x t i l 。R 。盯c h ，2 0 0 4 ，2 9 ：4 2 9 区域气流的动态形态，能为机构研究和纱线结构设 一4 3 5 计提供可视的研究手段。黼 7 郁崇文，张文赓喷气纺喷嘴中气流场的分布规 参考文献： 喜：辫冀套蒿善姜嚣笔毽：；二；嘉和应 1 G r a ywM H o wM v SM a k e s c ， s n Y m s 用 D 上海：东华大学，2 0 0 3 如 加 m O m o加加0加o 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark