水刺高壓水腔流場(chǎng)分布及其對(duì)非織造材料性能和工程能耗影響的研究.pdf

1、產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)已成為紡織工業(yè)中最具前瞻性和戰(zhàn)略機(jī)遇的新興產(chǎn)業(yè),而水刺非織造技術(shù)則是產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)中發(fā)展最迅速的非織造加固工藝,2001-2010年間我國水刺非織造布生產(chǎn)能力年均增幅超過30％。水刺加固工藝?yán)酶吣芰克樀臎_擊力賦予水刺非織造材料良好的強(qiáng)度、手感及透氣性且無任何化學(xué)粘合劑,因此水刺非織造材料以其獨(dú)特的性能廣泛應(yīng)用醫(yī)療、衛(wèi)生、個(gè)人護(hù)理、服裝、家居等民生領(lǐng)域。然而,高能量水針的產(chǎn)生及工藝水凈化、循環(huán)等工序的高能耗也是水刺非

2、織造材料成本居高不下的重要原因,并在一定程度上制約了水刺技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展壯大,日產(chǎn)10-15t水刺非織造材料生產(chǎn)線每小時(shí)循環(huán)水量為150-250t。因此,研究水腔結(jié)構(gòu)對(duì)水刺系統(tǒng)工程能耗的影響對(duì)于水刺技術(shù)節(jié)能減排具有重要意義。高壓水腔是水刺非織造技術(shù)中分配和利用高壓工藝水能量的關(guān)鍵部件,其對(duì)工藝水流的分配對(duì)水刺非織造材料的性能及工程能耗有重要影響。但由于水腔內(nèi)部為高壓封閉流場(chǎng),難以通過試驗(yàn)方法對(duì)水腔內(nèi)的流場(chǎng)分布進(jìn)行觀察和分析,因此本文采用

3、數(shù)值模擬的方法對(duì)水刺非織造技術(shù)中的多孔式和狹縫式兩種高壓水腔內(nèi)部的流場(chǎng)分布進(jìn)行研究,進(jìn)而通過分析其對(duì)水刺非織造材料性能及水刺系統(tǒng)工程能耗的影響,驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可信性,為水腔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。本文的研究工作主要分三部分:第一,流體力學(xué)理論分析和數(shù)值模擬,采用數(shù)值模擬方法對(duì)多孔式和狹縫式高壓水腔內(nèi)三維流場(chǎng)進(jìn)行分析和表征;并進(jìn)一步研究水腔主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)水腔流場(chǎng)的影響及進(jìn)化策略在水腔優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用中的有效性。第二,研究水腔結(jié)構(gòu)對(duì)水刺

4、非織造材料物理機(jī)械性能的影響,驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可信性。第三,研究實(shí)際工程應(yīng)用中多孔式和狹縫式水腔對(duì)水刺系統(tǒng)工程能耗的影響,進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的可信性,并為水刺系統(tǒng)的節(jié)能減排提供理論依據(jù)。各部分主要內(nèi)容及結(jié)論如下:(1)建立多孔式和狹縫式高壓水腔內(nèi)流場(chǎng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型,并通過有限體積法對(duì)模型的控制方程進(jìn)行離散,采用穩(wěn)態(tài)、隱式求解器、RealizableK-ε模型和基于交錯(cuò)網(wǎng)格的SIMPLE算法通過專業(yè)流體計(jì)算軟件Fluent模擬

5、了工藝壓力為8.0-12.0MPa時(shí)兩種水腔內(nèi)流體的分布特征,分析了兩種水腔內(nèi)部的流場(chǎng)分布及其出流面中心線處流體速度和壓力沿長度方向的變異系數(shù)(CV值)隨工藝壓力的變化,并通過單因子分析法進(jìn)一步分析了各結(jié)構(gòu)參數(shù)需要優(yōu)化調(diào)整的方向。結(jié)果表明狹縫式水腔出流面上流體的速度變異系數(shù)約是多孔式水腔的兩倍,且隨著工藝壓力的增大,二者的差距進(jìn)一步增大,而多孔式水腔的變異系數(shù)幾乎為常數(shù);二者的壓力變異系數(shù)在工藝壓力為8.0MPa時(shí)相差無幾,但隨著壓力的

6、增大,狹縫式水腔出流面上的壓力變異系數(shù)也是逐漸增加的,多孔式水腔的壓力變異系數(shù)則同樣幾乎為常數(shù)。值得注意的是二者的壓力變異系數(shù)值都非常小,均為10-3數(shù)量級(jí)。在單因子分析的基礎(chǔ)上采用進(jìn)化策略和三維數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分別對(duì)多孔式和狹縫式水腔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)初探。以出流面中心線處流體沿長度方向速度分布的CV值為目標(biāo)函數(shù),分別以多孔式水腔的分流孔中心距D2、均流棒半徑R3和狹縫式水腔的圓筒均流器半徑R3’、出流狹縫寬度D’為目標(biāo)變量,采用(3,

7、12)-ES進(jìn)化策略進(jìn)行全局搜索最優(yōu)目標(biāo)變量,然后通過建立和模擬新的模型計(jì)算每一組變量的目標(biāo)函數(shù)值,并反復(fù)執(zhí)行搜索和模擬計(jì)算操作,直到達(dá)到終止條件。多孔式水腔的優(yōu)化在進(jìn)化了14代后搜索到最優(yōu)目標(biāo)變量值(D2=18.4227mm,R3=9.9830mm),狹縫式水腔的優(yōu)化在進(jìn)化了17代后搜索到最優(yōu)目標(biāo)變量值(R3’=25.5444mm,D’=2.3759mm),優(yōu)化后多孔式和狹縫式水腔出流面中心線處流體速度的CV值分別為0.9681%和1

8、.7033%。(2)分別采用多孔式和狹縫式水腔在不同工藝壓力下制備了15組面密度和花紋結(jié)構(gòu)不同的水刺非織造試驗(yàn)材料,以研究水腔結(jié)構(gòu)對(duì)水刺材料性能的影響。對(duì)試驗(yàn)所得非織造材料的力學(xué)性能、纖維纏結(jié)性能、透通性及孔徑分布等性能進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果表明在相同的水腔壓力配置時(shí),多孔式水腔試驗(yàn)材料的縱橫向強(qiáng)力和纖維纏結(jié)系數(shù)均大于狹縫式水腔水刺頭所加固的非織造材料;試驗(yàn)材料幅寬方向的性能分布與水腔內(nèi)流場(chǎng)分布及出流面中心線處流體速度和壓力分布的CV值具

9、有很好的一致性;多孔式水腔試驗(yàn)材料的強(qiáng)度和纏結(jié)系數(shù)較大,幅寬方向(CD)透氣性較均勻且泡點(diǎn)孔徑較小,而數(shù)值模擬結(jié)果表明多孔式水腔內(nèi)壓力和速度分布比較均勻,且水腔出流面上流體的速度和壓力變異系數(shù)較小。(3)研究實(shí)際工程中多孔式和狹縫式水腔結(jié)構(gòu)對(duì)水刺系統(tǒng)工程能耗的影響,跟蹤記錄了6條水刺工程生產(chǎn)線(其中多孔式和狹縫式水刺生產(chǎn)線各3條)18個(gè)月期間每月的產(chǎn)量、耗水量和耗電量。分析得出多孔式水刺系統(tǒng)的單位標(biāo)準(zhǔn)品耗水量、耗電量以及綜合能耗均低于狹