气嘴分布对环形气嘴性能影响的研究

王昆， 韩晶， 刘进福

（常州先进制造技术研究所，江苏常州213164）

气嘴分布对环形气嘴性能影响的研究

王昆， 韩晶， 刘进福

（常州先进制造技术研究所，江苏常州213164）

环形气嘴是环锭纺自动接头机中用来找钢丝圈的机构，在自动接线的第一步就是找到钢丝圈。现有的机构设计是通过直流电机带动同步轮，同步轮再带动毛刷进行找钢丝圈的动作，有机构复杂、成本高、占用空间体积大等缺点，因此研究用环形气嘴代替原有机构。通过对环形气嘴的气流分析，确定了最优的气嘴分布形式，为设备提供了一种可靠的找钢丝圈机构。

环形气嘴；接头机；气流分析

0 引言

在纺纱行业中，有很多接线头的工作，目前都是由人工来完成。其不足之处一是人工接线速度慢；二是接线成功率低（普通工人接线的成功率不足50%）；三是需要的人多、工作量大，企业要承担大量的人力成本。而使用环锭纺自动接头机则能够有效地解决接线成功率不足、接线速度慢、人力成本大等问题。

自动找钢丝圈机构动作是整个系统的第一步，它的稳定性决定了整个接头机的接头成功率。在设计过程中必须保证机构的稳定性和简易性，而环形气嘴正好能够满足要求。本文通过对环形气嘴的气流分析，确定了最优的气嘴分布形式，为设备提供了可靠的找钢丝圈机构。

1 数学模型

由于环形气嘴进出口温升不是很大，流速也不太高，可以把流体当作不可压缩气体，对于求解不可压缩流体，其时均方程如下：

流场模型的动量守恒方程为：

式中：ρ为气体密度，kg/m3；ui、uj分别是xy上的速度分量，m/s；τ为应力张量；Fi是作用在x方向上的力，N；t为流体经过的时间，s；g为重力加速度，m/s2；P为作用在物体表面上的压力，N；xi为流体在x方向的位移，m。

式中：Gk为由于平均速度梯度而导致的湍动能k的产生项；Gb为由于浮力而引起的湍动能的产生项；YM代表可压湍流中脉动扩张的贡献；μ为气体的动力黏度，Pa·s；Sk为用户定义的源项；μt为湍动黏度，Pa·s；

式中：σk和σε分别为湍动能k和耗散率ε对应的Prandtl数；Sε为用户定义的源项；C1ε、C2ε和C3ε为经验常数。

2 几何模型的建立、网格的划分及边界条件的设置

环形气嘴由1个进气口和若干个出气口组成。本文设计了2种不同结构的环形气嘴。两者的内外径一致，进出气口直径一致。不同之处在于出气口的位置和数量。在图1模型内表面均布6个出气口，在图2模型的下侧均布8个出气口。

图1 内吹式环形气嘴

图2 下吹式环形气嘴

由于环形气嘴的结构比较简单，采用六面体网格单元来离散整个计算区域，提高了整个模型的网格质量。高质量的网格有利于加快运算速度，提高计算精度。

在Gambit中对几何模型进行网格划分后，根据环形气嘴的结构和流场特性对其进行边界条件的设置，采用SIMPLE算法解决速度与压力耦合问题。在计算时采用标准k-ε模型，对于近壁区域，采用壁面函数法进行处理，进气口所在面设置为压力入口边界条件。出气口所在的面设置为压力出口边界条件。

3 模拟结果与分析

图3与图4是两模型的动压分布图，动压是指单位体积的气体所拥有的动能，它能改变流体介质的速度，和风速的大小存在很大的关系，从图中可以看出，图4的下吹式模型的动压分布要优于图3的内吹式模型，在下吹式模型靠近出气口的区域，动压基本一致，动压的分布很均匀。内吹式模型内部的动压随着气流的流动慢慢变小，出气口的动压也随环形气嘴内部动压的变化而变化，每个出气口动压的数值大小不一致。由于下吹式模型气嘴多于内吹式模型，下吹式模型出气口的动压数值比内吹式模型要小，从压力的数值分布上来说，下吹式模型的压力分布优于内吹式模型。

图3 内吹式环形气嘴动压分布图

图4 下吹式环形气嘴动压分布图

图5与图6是环形气嘴内部的速度流线图，从图中可以看出，气流从进气口进入后，沿着内部流动，然后从出气口流出，图6下吹式模型的速度分布优于图5内吹式模型，在下吹式模型内，气流的速度分布很均匀，每个出气口的速度基本一致，速度的大小和内吹式模型基本一致。内吹式模型内部气流的速度随气流方向减小，速度的不均匀会影响气嘴的喷射效果。所以下吹式模型的速度分布要优于内吹式模型。

图5 内吹式环形气嘴流线图

图6 下吹式环形气嘴流线图

4 结论

运用Gambit建立了下吹式环形气嘴和内吹式环形气嘴两种几何模型，并进行了网格划分。对两种模型内部的动压分布进行了研究，发现下吹式模型的动压分布要优于内吹式模型；同时对两个模型内的气流流迹线进行了研究，发现下吹式模型的速度分布要优于内吹式模型。综合对两个模型动压和气流流迹线的对比分析，下吹式环形气嘴的内部流场优于内吹式环形气嘴，下吹式环形气嘴更适合用于找钢丝圈机构。

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（编辑昊 天）

TP 242

A

1002－2333（2014）05－0177－02

王昆（1986—），男，工程师，主要研究方向为机器人及智能装备。

2014-02-20