片式多源噴氣引緯技術研究

殷俊清 陳子韓 陳永當 張晨

摘要： 在國家提出的2060碳中和目標的大背景下，節能降耗成為目前工藝提升與改進的重點。當前主流的以輔助噴嘴結合異形筘的噴氣引緯技術，由于其引緯結構近似敞開的氣流引緯通道，在引緯過程中耗氣量較大。本文基于原有管道片式引緯工藝，提出了一種新型片式多源噴氣引緯技術，以減小引緯耗氣量。在多源噴氣結構設計基礎上，利用流體仿真軟件，建立了0.2、0.3、0.4 MPa三個供氣壓力下的流場仿真模型，通過數值仿真結果與傳統輔助噴嘴結構下的比對，本文所提出的新型引緯工藝在同等供氣壓力條件下，引緯氣體速度分別提升了19%、5%、2%，同時耗氣量在0.3、04 MPa壓力水平下分別降低了8.4%與8.7%。最后，在搭建的原型系統平臺上，實驗驗證了仿真結果的正確性。

關鍵詞： 噴氣織機;片式多源引緯;引緯流場;數值模擬;綠色制造

中圖分類號： TS105.4

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2023）05-0066-08

引用頁碼： 051109

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2023.05.009

基金項目：

中國紡織工業聯合會科技指導性項目（2019061）;西安市科技計劃項目（2020KJRC0017）

作者簡介：

殷俊清（1981），男，講師，博士，主要從事先進引緯技術與工藝、功能性復合材料應用與工藝的研究。

目前主流噴氣織機系統主要由主噴嘴+輔助噴嘴+異形筘三部分組成，紗線通過主噴嘴得到一定的初始速度，在行進一段時間后，緊接著由輔助噴嘴+異形筘的組合給予紗線動力補充，保證紗線的平穩運行，直到紗線到達出口。這種引緯方式可以使得紗線在引緯流場內快速穩定地運動，從而達到高速、高效引緯。但由于引緯通道主輔噴嘴氣流匯聚方式，在實際引緯過程中，引緯氣流會產生較大的速度波動，使得引緯平穩性降低，并且由于其半敞開式結構，會產生大量的壓縮氣體損耗。基于此，國內外學者對其做了大量的研究，作為噴氣織機的關鍵零部件，輔助噴嘴擔負著將緯紗接力送過梭口的重要任務［1］，而輔助噴嘴的耗氣量在正常引緯時占整機耗氣量的70%左右。所以，為了提高生產率、降低能耗，研究輔助噴嘴的流場特性具有重要意義［2］。為降低噴氣織機能耗，陳永當等［3］提出一種片式噴氣引緯系統，趙誠誠［4］在此基礎上對片式結構進一步優化設計。李斯湖等［5］對三種不同噴孔形狀噴嘴進行仿真模擬，分析了輔助噴嘴結構參數和供氣壓力對射流特性的影響。錢怡［6］對單圓孔輔助噴嘴與三種不同錐度的錐孔輔助噴嘴流場進行了數值模擬，得出壓力與氣流速度之間存在線性關系。陳巧蘭等［7］與王衛華等［8］運用仿真軟件分析在不同孔徑及孔型下的輔助噴嘴對引緯流場的影響，并進行了實驗驗證。陳永當等［9-10］探究了輔助噴嘴噴孔錐度及異形孔對流場的影響。張敏等［11］探究了噴嘴幾何結構對噴嘴噴射效果及耗氣量的相關影響。為深入理解輔助噴嘴引緯流場特性及相關結構參數的影響作用，董騰中［12］對有異形筘的引緯流場進行數值模擬，周浩邦等［13］在此基礎上對不同的典型噴嘴與異形筘的合成流場進行模擬仿真，肖世超等［14］則對于異形孔噴嘴與異形筘合成流場進行模擬仿真。張亮等［15］對帶有異形筘引緯流場的數值仿真結果進行了實驗驗證。Adamek等［16］探究了異形筘結構對引緯流場的影響。對于目前噴氣織機引緯流場的研究主要集中于流場前段與中段，對流場后段研究較少，廣少博等［17］對引緯系統末端的延伸噴嘴氣流場進行研究，確定延伸噴嘴在異型筘槽中的最佳位置。為了研究紗線在流場中的運動特性，胡小東［18］對異形筘氣流—紗線兩相耦合，揭示異形筘槽內復雜的兩相流動的規律。

為降低噴氣織機的耗氣量，陳永當等［3］提出一種新型的引緯技術并通過仿真模擬驗證了結構可行性，趙誠誠［4］則在陳永當等［3］研究基礎上對引緯片結構進行了進一步的優化處理。本文基于陳永當等［3］與趙誠誠等［4］研究成果，對所提出片式多源噴氣引緯技術進行可靠性與實用性驗證，采用數值模擬軟件對其流場進行仿真分析并與傳統輔助噴嘴仿真分析結果進行對比，并且通過實驗驗證了仿真結果的可靠性。

1 片式多源引緯技術介紹

1.1 片式多源引緯技術結構

本文提出一種片式多源噴氣引緯技術，使用引緯片之間的前后銜接，形成一個半封閉式引緯通道，代替傳統由異形筘與輔助噴嘴組成的U型開敞性引緯通道，以此達到降低引緯過程中耗氣量得目的。傳統噴氣織機主要由主噴嘴、異形筘、輔助噴嘴等三個部分組成，如圖1所示。

在引緯過程中，紗線通過主噴嘴獲得初始動能進入異形筘筘槽，在經由輔助噴嘴提供后續動力以完成引緯，在紗線進入筘槽時，輔助噴嘴與紗線組成的引緯通道是開放式的，所以在這個階段，會產生較大的氣體損耗。其中，圖1（c）為片式多源引緯技術結構，包括：主噴引緯裝置1、緯紗剪斷裝置2、復合引緯通道3、探緯傳感器4和5、微處理器6、氣泵7、延伸噴嘴8。引緯通道3包含引緯片31、電磁線圈313、伸縮裝置316。基于傳統的噴氣紡織技術，片式多源引緯技術對傳統的U型開敞性引緯通道進行重設，形成半封閉式圓形引緯通道，在保證引緯平穩性的同時，降低整個引緯系統的耗氣量。片式多源引緯技術整體運行過程與傳統引緯技術相仿，兩者區別只在于引緯通道部分。

1.2 片式多源引緯通道

片式多源引緯通道主要由復合引緯片、引緯片基座、開合脫紗裝置組成。其中復合引緯片分為動力引緯片與非動力引緯片兩種，動力引緯片嵌入有氣流噴嘴，動力引緯片與非動力引緯片成等間距插入引緯片基座。開合脫紗裝置分為電磁線圈與伸縮裝置兩個部分，分別集成在各引緯片上，如圖2（a）所示。

如圖2（b）所示，片式多源引緯通道包括：傳感器1、傳感器2、微處理器3、供氣裝置4、供電裝置5、復合引緯片6、開合脫紗裝置（7、8）、引緯片基座9。其運行流程為：紗線受到主噴嘴所賦予的動能運動至引緯通道入口時，傳感器1檢測到紗線位置，微處理器控制供氣裝置4運行，使壓縮氣體從氣流噴嘴流出，為紗線提供動能接力，同時，微處理器控制供電裝置5運行，使開合脫紗裝置閉合，整個引緯通道形成一個近似封閉的氣體流場。紗線運行至引緯通道末端，傳感器2檢測到紗線，控制供氣裝置4停止供氣，并控制開合脫紗裝置打開，同時控制紗線剪斷裝置將紗線剪斷，至此完成引緯。

1.3 引緯片與氣流噴嘴結構

圖3為復合引緯片及氣流噴嘴三維模型及結構參數，為了減少仿真過程中所用到的計算量，對引緯片模型進行了簡化處理。如圖3（a）所示，復合引緯片總高為38.78 mm，寬為3.00 mm，傳統引緯通道筘槽截面積約為30.00 mm2，其結構為半敞開式，本文所提及片式多源引緯通道為半封閉式圓形結構，為此選取10.00 mm作為本工藝引緯內腔直徑，使得半封閉式引緯流場截面積大約是傳統引緯通道筘槽的兩倍。外腔直徑為15.00 mm，殼體高為25.00 mm，殼體長為8.00 mm，脫紗槽為2.00 mm，兩噴孔之間夾角為90°，動力引緯片氣流孔孔徑為1.00 mm。氣流噴嘴外徑為1.00 mm，噴嘴內徑為0.70 mm，噴射角為130°，倒角R為0.90 mm，氣流噴嘴集成在動力引緯片上。對于氣流噴嘴的內徑、噴射角度、倒角等參數，首先是通過對其進行控制變量建模仿真分析，得出各參數下最優的三個方案，然后將所得到的數據進行3水平3因素正交實驗，重新進行建模仿真分析，最后得出最優解。具體設計過程可參考文獻［4］。

2 數值仿真

2.1 流場模型建立與邊界條件設置

本文首先通過SolidWorks對建立動力引緯片三維模型，片式多源引緯技術單流場模型如4圖所示，流場區域長為80.00 mm，圓形腔直徑為10.00 mm，脫紗區域寬為2.00 mm，噴嘴區域由4個直徑為0.70 mm的噴嘴以脫紗槽中心線成軸對稱分布而成，各噴嘴之間間隔為90°，噴嘴噴射角為130°。

然后將所建立的三維模型進行網格化處理，物理偏好選擇CFD，求解器偏好選擇Fluent，增長率設置為1.1，最小單元格尺寸設為1.00 mm，劃分方法選擇自由六面體，以此為基準進行網格劃分，如圖5（a）所示。將網格劃分后的流暢模型進行邊界條件設置，氣流噴嘴末端設置為氣流入口，流場區域左右兩端口與脫紗槽上端口設置為氣流出口，類型選擇壓力入口與壓力出口，其他區域為壁面，類型選擇靜止無滑移壁面，設置結果如圖5（b）所示。

2.2 參數設定

將進行網格劃分后的流場模型導入Fluent模塊，求解模型選擇k-ε RNG模型。求解器類型選用基于壓力的相對求解器，狀態設置為穩態。環境溫度設置為293 K，環境壓力設置為大氣壓。氣流壓力入口參數設置如表1所示，具體參數來源于文獻［1］。

2.3 結果分析

圖6為片式多源引緯通道流場在0.2、0.3、0.4 MPa三個壓力水平下流場中心面速度云圖及中心軸線速度衰減圖。由圖6（a）可知，氣流在匯聚之后平穩向前發散，流場雖具有一定的附壁射流效應，但流場整體平穩，無劇烈氣流波動，能夠保證引緯過程中的平穩性，整個流場最大速度區域處于流場相對中心，盡管由于附壁射流效應而導致一定的偏移，但并沒有帶來較大的影響，最大速度區域仍處于一個相對較好的位置。由圖6（b）可知，片式多源引緯技術流場中心軸線處氣流速度在距氣流出口10.00 mm處交匯并且達到峰值，隨著多源氣流交匯，在距離氣流出口10.00～50.00 mm，氣流速度下降趨勢較為明顯；在距離氣流出口50.00～80.00 mm，氣流速度進入低峰，速度下降趨勢放緩。

噴嘴在壓力水平為0.2 MPa時，氣流最高速度達到9342 m/s。根據文獻［2］所述高速引緯條件，片式多源引緯技術在0.2 MPa時氣流場中心軸線最高速度低于10000 m/s，不適合高速引緯;但在壓力水平為0.3 MPa時，氣流場中性軸線最高速度為127.35 m/s，能勝任大多數織物的高速引緯工作;在0.4 MPa時，氣流場中心軸線最高速度為151.57 m/s，適合重磅織物的高速引緯工作。綜上所述，從仿真結果來看，片式多源引緯技術流場氣流波動較小，氣流集束性較好，流場中心軸線速度衰減趨勢平緩，且在壓力水平為0.3 MPa時，流場速度符合大多數織物高速引緯工作條件。

2.4 對比驗證

2.4.1 中心軸線速度對比

為了驗證片式多源引緯技術可行性，本文將片式多源引緯技術單流場仿真結果與傳統紡織機械輔助噴嘴單流場仿真結果進行對比驗證。所選輔助噴嘴為單圓孔噴嘴，其噴嘴孔徑為1.50 mm，噴射角為6°。基于文獻［5］所述，輔助噴嘴出口處雷諾數較大，氣流波動劇烈，不適合進行引緯工作，且輔助噴嘴氣流與主噴嘴氣流在距離輔助噴嘴口40.00 mm處交匯，形成有效引緯。基于文獻［3］所述氣流交匯原理，片式多源引緯流場氣流交匯點在距噴嘴口10.00 mm處。根據上述理論，本文選取王衛華等［8］傳統輔助噴嘴距噴口有效引緯區域（即距離噴嘴出口40.00～60.00 mm）處流場中心軸線速度曲線，與片式多源引緯技術有效引緯區域（即片式多源引緯流場10.00～30.00 mm）處流場中心軸線速度曲線進行對比分析。選擇0.2、0.3、0.4 MPa三個壓力水平，其他參數不變，對比結果如圖7所示。

由圖7可知，在0.2、0.3、0.4 MPa三個壓力水平下，片式多源引緯的氣流最高速度分別為83.32、113.47、135.94 m/s，相較于王衛華等［8］研究中傳統輔助噴嘴的67.57、107.83、134.24 m/s，速度分別提高了19%、5%、2%，且兩者速度下降趨勢相近。綜上所述，相對于傳統輔助噴嘴，片式多源引緯技術引緯氣流速度高于傳統輔助噴嘴氣流速度，且氣流速度衰減趨勢與傳統輔助噴嘴相近，同等壓力水平下，片式多源引緯技術可以達到傳統輔助噴嘴的引緯條件，且具有一定優勢。

2.4.2 耗氣量對比

耗氣量是評價噴氣紡織裝置優劣性的重要標準。基于此，本文將選取片式多源引緯技術與傳統輔助噴嘴在3個壓力水平下的仿真結果，以噴嘴出口的質量流率作為評價標準，進行耗氣量的對比分析，傳統輔助噴嘴仿真數據來源于文獻［6］，對比結果如圖8所示。

由圖8可知，隨著壓力水平的增大，耗氣量也隨之增加，在0.2 MPa的壓力水平下，片式多源引緯技術的耗氣量為088 g/s，相對于傳統輔助噴嘴的0.85 g/s增加了大概4.4%氣體損耗，可能是由于片式多源引緯技術氣流出口截面總面積大于傳統輔助噴嘴，片式多源引緯技術體積流量是大于傳統輔助噴嘴的體積流量的，如果兩者氣流密度相差不大的話，就導致在0.2 MPa壓力水平下，片式多源引緯技術的耗氣量高于傳統輔助噴嘴。但在0.3～0.4 MPa的壓力水平下，片式多源引緯技術的耗氣量分別為1.24 g/s和1.57 g/s，與傳統輔助噴嘴的1.34 g/s和1.70 g/s耗氣量相比，片式多源技術分別降低了大概8.4%與8.7%氣體損耗。綜上所述，片式多源引緯技術在壓力水平為0.2 MPa時，由于體積流量的原因，導致耗氣量高于傳統噴嘴。但隨著壓力水平的增加到0.3、04 MPa，兩者引緯流場的氣流密度產生差距，彌補了體積流量的差距，使得片式多源引緯技術的氣體消耗小于傳統輔助噴嘴的氣體消耗。

3 實驗論證

3.1 實驗原理及設備

根據Bernoulli方程，只要知道流場中某一點的總壓與靜壓，就可以求出該點的速度，所以本文采用畢托管來對流場中心軸線上點的總壓與靜壓進行采集，將采集到的數據進行運算，從而求出中心軸線上氣流速度的衰減趨勢。具體運算如下式［15］所示：

式中：k為畢托管修正系數;P為總壓與靜壓之差（即動壓）;ρ為氣流密度。

采集設備包括：畢托管、CYR-20差壓變送器、ART USB3106A數據采集卡、24 V直流電源。在實驗過程中，本文采用一個內徑為10.00 mm，外徑為15.00 mm，且管身開有一個2.00 mm的貫穿槽的亞克力管作為引緯流場的替代。噴嘴方面則采用外徑為1.00 mm，內徑為0.70 mm的不銹鋼毛細管進行彎折之后切削而成。氣體的輸送則是在空壓機氣流輸出口處接上三通接口，并分別與兩個一進二出可調壓分流閥連接，將可調壓分流閥氣流輸出口與氣流噴嘴連接，通過調節調壓分流閥，可使得四個氣流噴嘴獲得相同壓力水平的穩定氣流輸出，測試裝置如圖9所示。

3.2 實驗結果與仿真結果對比

在數據采集工程中，將畢托管從亞克力管開槽處放置在流場中心軸線，從距噴口10.00～80.00 mm處，沿著流場中心軸線，以2.00 mm為間距，進行數據點采集，將采集結果進行換算，并且與仿真結果進行對比，對比結果如圖10所示。

由圖10可知，在0.2 MPa水平下，在距離噴嘴10.00～80.00 mm內，仿真所得氣流最高速度為83.32 m/s，實驗所得數據最高速度為87.46 m/s，偏差5%左右;仿真所得氣流平均速度為44.87 m/s，實驗所得氣流平均速度為49.27 m/s，偏差9%左右。且在0.2 MPa水平下，實驗所得流場中心軸線氣流速度曲線衰減趨勢符合仿真所得速度衰減趨勢。在0.3、0.4 MPa水平下，實驗所得氣流最高速度分別為112.47 m/s和120.54 m/s，與仿真所得最高速113.47 m/s和135.94 m/s相比，偏差在2%與12%左右。實驗所得平均速度分別為6817 m/s和77.73 m/s，與仿真所得氣流平均速度61.63、75.04 m/s相比，偏差大概在10%和4%左右。在距離噴嘴20.00～60.00 mm處，實驗所得氣流衰減趨勢與仿真所得氣流衰減趨勢沒有較好的吻合，但總體速度曲線無較大波動，且在距噴嘴60.00～80.00 mm處兩者衰減趨勢逐漸吻合。

綜上所述，對于偏差存在的原因，可能由于在測量時畢托管對高速氣流的匯聚產生了一定的干擾，導致所測速度與實際速度不符，并且測量時，畢托管頭部需要較好的對中性，但實際操作過程中比較難以實現，因此導致數據產生偏差。但是在3種壓力水平下，實驗所得結果與仿真所得結果偏差較小，雖然在0.3、0.4 MPa水平下速度衰減曲線吻合度較差，總體趨勢偏差不大，速度衰減也較為平穩，因此驗證了仿真結果的可行性與合理性。

4 結 論

根據對片式多源引緯流場在三個壓力水平下的仿真模擬及實驗驗證，可得到如下結論：

1） 在3種壓力水平下，實驗所得結果與仿真所得結果偏差較小，雖然在0.3、0.4 MPa水平下速度衰減曲線吻合度較差，但總體趨勢偏差不大，速度衰減也較為平穩。因此，驗證了片式多源引緯技術的可行性與優勢。

2） 片式多源引緯技術流場氣流波動較小，氣流集束性較好，流場中心軸線速度衰減趨勢平緩，且在壓力水平為0.3 MPa時，流場速度符合大多數織物高速引緯的工作條件。

3） 相對于傳統輔助噴嘴，片式多源引緯技術引緯氣流速度高于傳統輔助噴嘴氣流速度，且氣流速度衰減趨勢與傳統輔助噴嘴相近，同等壓力水平下，片式多源引緯技術更具有優勢。

4） 片式多源引緯技術在0.2 MPa時，氣體損耗高于傳統輔助噴嘴，但隨著壓力水平的增加到0.3、0.4 MPa，片式多源引緯技術的氣體損耗小于傳統輔助噴嘴的氣體損耗。

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HU Xiaodong. Study on West Insertion System of Air-Jet Loom Based on Fluid-Structure Coupling［D］. Hangzhou： Zhejiang Sci-Tech University， 2017.

Abstract： In the modern textile industry， the air-jet loom has developed rapidly with its advantages of high speed and success rate of weft insertion. During air flow insertion， the air-jet loom relies on the high-speed airflow from the main and auxiliary nozzles to pull the weft yarn， and the weft yarn is straightened and quickly passes through the weaving mouth. This weft insertion method makes the yarn move quickly and steadily in the weft insertion flow field and realize high-speed and efficient weft insertion. Since the air-jet loom is of semi-open structure， a large amount of compressed gas consumption is generated during the process of intersection of airflow. Furthermore， the integration of the auxiliary profiled reed and the airflow channel involves complex shapes and high cost， which makes it difficult to adapt to the requirements of frequent fabric changes. Therefore， in response to the national carbon neutrality and carbon peak policy， the realization of green manufacturing， the reduction of gas consumption in the weft insertion process of air-jet looms has become the focus of air-jet weft insertion process innovation.

In this study， a new sheet-type multi-source air-jet weft insertion technology was proposed for reducing the gas consumption in the process of weft insertion based on the original pipe sheet-type weft insertion process. Firstly， a new air-jet weft insertion channel was designed， and the flow field simulation model of the new channel was established. Secondly， the flow field characteristics of the new insertion channel at 0.2， 0.3 and 0.4 MPa pressure levels were numerically analyzed. Finally， the experimental platform was built to verify the reliability of the simulation results， and the airflow velocity at the central axis of the flow field was obtained to be compared with the numerical simulation results. The study shows that the maximum velocities of in the new insertion channel are 93.42， 127.35 and 151.57 m/s at the pressure levels of 0.2， 0.3 and 0.4 MPa， respectively， and the maximum velocities of the sheet-type multi-source weft insertion technique are increased by 19%， 5% and 2%， respectively， compared with the conventional air-jet weft insertion technique， and the decreasing trends of the velocities are similar to those of the conventional air-jet technology. In addition， the gas consumption of the sheet-type multi-source technique is 1.24 and 1.57 g/s at the pressure levels of 0.3 and 0.4 MPa respectively， 8.4% and 8.7% lower than that of the conventional air-jet weft insertion technology.

In this paper， the flow field simulation analysis and experimental verification of the proposed sheet-type multi-source air-jet weft insertion technology are carried out. However， the influence of the main nozzle air flow is not considered， and the devices among the sheets at high-speed situation are ignored. The analysis of the synthetic flow field characteristics of the main nozzle and weft insertion channel and the applicability of the devices at high-speed situation mode are to be researched.

Key words： air-jet loom; sheet-type multi-source weft insertion; weft insertion flow field; numerical simulation; green manufacturing