熔噴三維流場數值分析

該技術具有低工藝、高生產效率的特點，近年來取得了迅速的進展。熔噴纖維的平均直徑可達到微米或亞微米級氣流模頭是熔噴設備中的核心部件，其提供的高速射流不僅決定熔噴纖維的直徑，而且影響熔噴纖維的強度、結晶度等性能，因此，對熔噴氣流模頭下方噴射流場進行研究是探究熔噴纖維拉伸機制的基礎，國內外很多科研人員致力于熔噴模頭噴射流場的研究，以期細化熔噴纖維的直徑。Shambaugh等二維數值模擬忽略了噴氣孔的2個端面對熔噴流場的影響，其計算結果不能準確地反映熔噴噴射流場的全部流動特性，因此，對熔噴流場進行三維數值模擬研究是完全有必要的。本文采用數值模擬方法對雙槽形熔噴模頭的三維高速高溫流場進行表征與分析，以期深層次探討熔噴纖維牽伸成形機制。1雙槽擴散三維流場模型的構建1.1入模頭下形成非等溫流場圖1示出雙槽形熔噴模頭的結構示意圖。高溫壓縮空氣從噴氣孔進入，在模頭下方形成非等溫流場。本文所采用的雙槽形熔噴模頭的噴氣孔寬度b為0.65mm，噴氣孔傾斜角度β為60°，噴氣孔外端寬度h為3.32mm，噴氣孔長度l為20mm。1.2雙槽形熔噴流場的計算域圖2示出雙槽形熔噴模頭的計算域。可知，雙槽形模頭流場的計算域包括噴氣孔空間部分和其下方的流場部分。由于雙槽形熔噴模頭的計算域是關于xy平面和xz平面對稱的，計算域只選取整個雙槽形熔噴模頭流場空間的四分之一，可減少計算時間和提高計算效率。計算域的尺寸參考了前人的研究1.3k-湍流模型在熔噴三維流場中，氣流以可壓縮、黏性、非等溫湍流形式存在。通過實驗測量數據與數值模擬結果對比發現，標準的k-ε湍流模型在標準的k-ε方程模型中，k和ε的時均形式的輸運方程為式中:ρ為流場中的氣體密度，kg/m2計算值的值2.1面體網格類型使用Gambit對計算域分區進行網格劃分，選用六面體網格類型;采用“Map”劃分方式，并對2股射流交匯及附近的區域進行自適應區域加密。網格總數為1421110。2.2高壓氣流的絕對負壓圖2中，ABCD平面設為“壓力入口”。入口處高壓氣流的絕對壓強設為126656.25Pa，氣體溫度為400K。入口處邊界條件中的水力直徑為噴氣孔的寬度，湍流強度設為10%。EE3結果與分析3.1u3000x值對2股射流場的影響圖3～6示出不同xy平面上的速度、溫度和靜壓分布。可以看出，在xz平面內中心處的速度值、溫度值和壓強值較兩側區域高。熔噴纖維位于xz平面流場中心區域內時，有利于其細化。當z為1mm時，從圖中可以看出，平面上的溫度和壓強呈單峰狀，而平面上速度有2個峰值，此時2股射流還未融合，保持各自流動的狀態;隨著x值的增大，平面上的速度、溫度和壓強變化不顯著。隨著z值的增大(5mm≤z≤30mm),xy平面上的速度、溫度和壓強都只有1個峰值且逐漸平緩。表明2股射流已融合成1股射流，隨著噴射距離增加，融合后的射流向四周擴散，中心處的射流逐漸帶動遠處的氣體向下運動，平面上的速度、溫度和壓強隨z值增大逐漸降低。在流場的中心區域，不同xy平面上的速度、溫度、壓強隨著x值的增加基本沒有變化。而在遠離流場中心的區域，流場中的速度、溫度和壓強隨著x值的增大而有所降低。當z值進一步增大時(z=50mm),xy平面上的速度、溫度和壓強峰值進一步降低。xy平面上的速度和溫度隨x值的增大基本沒有改變，而此時平面上的壓強峰值隨著x軸正向略有增大。圖3～6表明:噴氣孔端面(圖2中的DCC3.2紡絲線上的速度分布雙槽形熔噴模頭的噴絲孔按照一定的間距分布在x軸線上，其軸線與z軸平行(或重合)。這些分布在xz平面上的軸線又被稱為紡絲線。在熔噴非織造成品的實際生產中，熔噴纖維的運動路徑主要在紡絲線附近圖7示出流場中不同紡絲線上的速度分布。可以看出，紡絲線上的速度先迅速增大，在靠近模頭的區域達到一個極值后速度開始逐漸減小。對比不同位置處紡絲線上的速度可以發現:流場中心處紡絲線上的速度最高;當遠離流場中心后，紡絲線上的速度逐漸降低，位于氣槽端面處紡絲線上的氣流速度最低。靠近流場中心位置處幾條紡絲線上的速度相差不大;而x值的進一步增大，紡絲線上氣流速度值與中心處紡絲線上速度值的差異性增大。這說明氣槽端面對紡絲線上的速度影響很大，對整個流場的速度分布也有一定的影響。圖8示出熔噴三維流場中不同紡絲線上的溫度分布。可以看出，溫度衰減的速度很快，氣槽端面對不同位置處的紡絲線上的溫度影響也很大。當遠離流場中心處時，紡絲線上的溫度逐漸降低;端面處紡絲線上的溫度最低，且與中心位置處紡絲線上的溫度差值最大。較高的氣流速度和溫度有利于熔噴纖維的細化圖9示出三維氣流場中靜壓在不同紡絲線上的分布。對比圖7和圖9，紡絲線上靜壓的變化規律與氣流速度的變化規律相似，均呈先急劇增大后逐漸減小。但與速度變化規律不同的是，壓力極值點的位置要早于速度極值點的位置。從圖9可以看出，端面處紡絲線上的靜壓最小，其余的紡絲線上的靜壓值基本一致。這說明氣槽端面對紡絲線上的靜壓有一定的影響，但與對紡絲線上速度和溫度的作用相比，效果沒那么顯著。另外，熔噴流場中不同位置處紡絲線上速度、溫度和壓強分布的差異，易使不同位置處的聚合物熔體受到不同的氣流作用力，發生不同的形變。氣槽端面的影響不僅使紡制的熔噴纖維呈現不同的細度和性能等，而且影響纖維在流場中的運動路徑，對最終的纖維網結構有一定影響。4雙槽形熔噴氣流場模擬本文應用Fluent軟件對雙槽形熔噴模頭的三維噴射氣流場進行數值計算，并對流場中的速度、溫度和靜壓等進行分析，得出以下結論。1)在三維熔噴氣流場中，中心區域內的速度值、溫度值和靜壓值較大。2)用數值模擬的方法可以證明:當雙槽形熔噴模頭的噴氣孔長度較長時，遠離氣槽端面區域內的非等溫三維噴射氣流場可簡化為二維流場。3)噴氣孔的端面對不同位置處紡絲線上的溫度、速度和壓強分布有