基于Fluent的空气变形喷嘴流场模拟及结构优化设计

论文摘要

本文在典型Hema型空气变形喷嘴结构的基础上，设计出几种不同结构尺寸的空气变形喷嘴并利用Fluent软件对其内流场进行了三维数值模拟；通过分析这些数值模拟结果，比较其优缺点，总结出最佳结构参数组合。本文的主要研究工作如下：本文首先介绍了空气变形喷嘴的研究意义和内容；总结了空气动力学原理；设计了单排双孔、单排三孔和双排三孔等不同结构和尺寸的空气变形喷嘴；用PRO/e软件建立新的空气变形喷嘴的3D模型，并利用Gambit对流场进行了网格划分和边界条件设置；介绍了利用Fluent软件对空气变形喷嘴进行数值模拟的具体步骤以及其参数选择，并用Fluent软件对空气变形喷嘴进行了数值模拟分析；模拟结果表明进人喷嘴芯的多股气流，沿轴向和径向都有分速，多股气流在喷嘴芯内碰撞掺混。产生强烈的脉动和旋涡，同时还伴随着气流的压缩和膨胀，生成复杂的激波系，喷嘴出口流均是既有亚音区又有超音区的混合流场，而且速度梯度很大，可见喷嘴内的流场是带有强烈脉动和旋涡的非定常混合流场，有很强的非线性。充满脉动和旋涡的高能核心区是形成变形纱的主要区域，除了激波有利于丝圈形成外，气流中存在的一种沿丝束运动方向对丝产生机械作用的力也有利于形成稳定的丝圈。对不同结构的空气变形喷嘴的流场模拟结果如出口马赫数、流场速度、出口压强和流场速度流线图等做了组内和组间对比分析，总结得到最佳的空气变形喷嘴结构参数；并比较了本文的最佳喷嘴模拟结果与原型空气变形喷嘴的实验结果。并在生产现场对本文的最佳结构喷嘴做了测试、使用，检验了其使用效果。结果显示，在0.75MPa-1.2MPa供气压力下，空气变形喷嘴变形速度可达350-500m/min，适用于生产纤度在30-3000dtex的纱线。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 HEMA 空气变形喷嘴介绍
• 1.2.1 HEMA 空气变形喷嘴的作用
• 1.2.2 HEMA 空气变形喷嘴的结构
• 1.3 空气动力学相关基本概念
• 1.3.1 绝对压强、相对压强和真空度
• 1.3.2 静压、动压和总压
• 1.3.3 紊流
• 1.3.4 声速和马赫数
• 1.3.5 激波和膨胀波
• 1.4 F LUENT 软件介绍
• 1.5 研究内容和目的
• 1.5.1 研究的内容
• 1.5.2 研究的目的
• 2 空气流动的基本数学模型和数值模拟方法
• 2.1 基本数学模型
• 2.1.1 基本控制方程
• 2.2 FLUENT 的数值模拟方法
• 2.3 本章小结
• 3 空气变形喷嘴模型对比方案的制定
• 3.1 喷嘴简介
• 3.2 模拟方案
• 3.3 本章小结
• 4 空气变形喷嘴三维模型建立及网格划分
• 4.1 三维模型的建立
• 4.2 空气变形喷嘴网格的划分
• 4.2.1 GAMBIT 软件简介
• 4.2.2 空气变形喷嘴的网格划分
• 4.3 空气变形喷嘴边界条件设置
• 4.4 本章小结
• 5 空气变形喷嘴三维数值模拟
• 5.1 导入网格
• 5.1.1 选择 FLUENT求解器
• 5.1.2 设置计算区域尺寸
• 5.1.3 选择计算模型
• 5.1.4 选择湍流模型
• 5.1.5 定义区域的物理属性
• 5.1.6 设置工作环境压力
• 5.1.7 设置边界条件
• 5.2 数值模拟
• 5.2.1 设置求解参数
• 5.2.2 初始化
• 5.2.3 打开残差图
• 5.2.4 模拟过程监控
• 5.2.5 保存当前 CASE和 DATE文件
• 5.3 本章小结
• 6 空气变形喷嘴三维数值分析
• 6.1 单排双斜孔
• 6.1.1 出口马赫数线图
• 6.1.2 速度流线图
• 6.1.3 压强云图
• 6.1.4 速度矢量图
• 6.1.5 本节小结
• 6.2 单排三斜孔
• 6.2.1 出口马赫数等值线图
• 6.2.2 速度流线图
• 6.2.3 截面的压力云图
• 6.2.4 速度矢量图
• 6.2.5 本节小结
• 6.3 双排三孔型喷嘴
• 6.3.1 出口马赫数线图
• 6.3.2 速度矢量图
• 6.3.3 速度流线图
• 6.3.5 本节小结
• 6.4 模拟分析结果小结
• 6.5 喷嘴试验测试
• 7 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表文章