熔噴氣流場(chǎng)的分析與優(yōu)化.pdf

1、在熔噴非織造布的生產(chǎn)過(guò)程中，由噴絲孔擠出的熔融聚合物受到由氣流模頭噴出的高溫高速氣流的拉伸，從而形成超細(xì)纖維網(wǎng)。熔噴非織造產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，可用作精細(xì)過(guò)濾材料、吸油材料、醫(yī)用材料、保暖材料、電池隔膜等。近年來(lái)，熔噴非織造產(chǎn)品市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)促進(jìn)著熔噴非織造技術(shù)不斷進(jìn)步，但是目前的熔噴技術(shù)還存在能耗高、纖維難以進(jìn)一步細(xì)化等問(wèn)題，而這些問(wèn)題都與熔噴氣流模頭下方的氣流場(chǎng)分布密切相關(guān)。
　　普通熔噴氣流模頭下方氣流場(chǎng)的速度和溫度衰減較快，這不僅

2、不利于熔噴纖維的細(xì)化，而且使得紡絲制備過(guò)程中的能量耗散較大。另外，普通氣流模頭的氣流場(chǎng)內(nèi)含有回流區(qū)，在回流區(qū)中氣流的速度方向與聚合物熔體的流動(dòng)方向相反，對(duì)熔噴纖維的正常拉伸有害。
　　為了降低生產(chǎn)過(guò)程中的氣體和熱能消耗以及進(jìn)一步細(xì)化熔噴纖維，本文對(duì)熔噴氣流場(chǎng)進(jìn)行分析與優(yōu)化。首先，在對(duì)普通熔噴氣流模頭研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了帶有穩(wěn)流件的新型熔噴氣流模頭，并選用不同的湍流模型對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的正確性和全面了解熔噴氣

3、流場(chǎng)內(nèi)的速度分布特點(diǎn)，借助熱線風(fēng)速儀對(duì)普通熔噴氣流模頭和新型熔噴氣流模頭的流場(chǎng)進(jìn)行了在線測(cè)量。之后采用單因素分析方法，考察新型氣流模頭的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熔噴氣流場(chǎng)的作用，對(duì)熔噴氣流模頭進(jìn)行優(yōu)化，使其流場(chǎng)性能更佳；并應(yīng)用S hamb augh熔噴一維拉伸模型對(duì)優(yōu)化后的熔噴氣流模頭進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，證明了新型熔噴模頭流場(chǎng)可以制備直徑更小的纖維。最后，論文還對(duì)考慮熔噴纖維存在的非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了研究，初步探討了聚合物熔體/氣流耦合流場(chǎng)的分布以及纖維鞭

4、動(dòng)的起因等問(wèn)題。
　　全文共分六章，具體內(nèi)容如下：
　　第1章綜述了本文研究領(lǐng)域內(nèi)的國(guó)內(nèi)外理論研究和實(shí)驗(yàn)研究的文獻(xiàn)，主要包括熔噴高速高溫流場(chǎng)和熔噴纖維拉伸的相關(guān)研究。并闡明了本文的研究背景、研究目的和研究?jī)?nèi)容。
　　第2章設(shè)計(jì)了帶有穩(wěn)流件的新型雙槽形熔噴模頭和新型環(huán)形熔噴模頭，并對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值研究。
　　在本課題組和前人研究的基礎(chǔ)上，分析了普通雙槽形熔噴模頭設(shè)備中制約纖維進(jìn)一步細(xì)化以及影響氣體和熱量消耗的因素

5、，設(shè)計(jì)了帶有穩(wěn)流件的新型雙槽形熔噴模頭，并選用剪切壓力傳輸模型和雷諾應(yīng)力模型對(duì)新型雙槽形熔噴模頭的兩維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值研究。研究結(jié)果證明：與普通的雙槽形模頭相比，帶有內(nèi)穩(wěn)流件的新型雙槽形熔噴模頭和同時(shí)帶有內(nèi)穩(wěn)流件和外穩(wěn)流件的新型雙槽形熔噴模頭可以有效地降低模頭附近的回流現(xiàn)象，增大紡絲線上的速度峰值，降低紡絲線上的速度波動(dòng)和溫度衰減速率。帶有外穩(wěn)流件的新型雙槽形熔噴模頭能夠提高紡絲中線上的速度，不能降低紡絲線上氣流的逆向速度和湍流強(qiáng)度峰值。相

6、較于帶有外穩(wěn)流件的新型雙槽形熔噴模頭，帶有內(nèi)穩(wěn)流件或同時(shí)帶有外穩(wěn)流件的新型雙槽形熔噴模頭更有利于纖維的細(xì)化和減少生產(chǎn)過(guò)程中的能耗。
　　本章還設(shè)計(jì)了帶有內(nèi)穩(wěn)流件的新型環(huán)形熔噴模頭。相對(duì)于普通環(huán)形模頭，新型環(huán)形模頭能夠提高紡絲線上的氣流速度和溫度，降低模頭頭端區(qū)域內(nèi)氣流的逆向速度，減小流場(chǎng)中的湍流強(qiáng)度峰值。
　　第3章對(duì)普通雙槽形熔噴模頭和新型雙槽形模頭的三維流場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量和分析。
　　為驗(yàn)證第2章中熔噴氣流場(chǎng)數(shù)值模擬

7、的有效性和選取更佳的湍流模型，本章采用熱線風(fēng)速儀對(duì)普通雙槽形熔噴模頭和帶有內(nèi)穩(wěn)流件的雙槽形熔噴模頭流場(chǎng)中的速度分布進(jìn)行了在線測(cè)量，得到了氣流的瞬時(shí)速度和平均速度。在本章實(shí)驗(yàn)中采用帶有自動(dòng)控制系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制熱線風(fēng)速儀一維探頭的移動(dòng)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。相對(duì)前人的研究，更大程度上消除了人為干擾，使獲得的速度數(shù)據(jù)更加合理和可信。
　　實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：應(yīng)用剪切壓力傳輸模型和雷諾應(yīng)力模型對(duì)雙槽形熔噴流場(chǎng)計(jì)算得到的模擬數(shù)據(jù)均與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較

8、為吻合。但在遠(yuǎn)離模頭的區(qū)域內(nèi)，雷諾應(yīng)力模型對(duì)流場(chǎng)的預(yù)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。
　　與普通的雙槽形模頭相比，帶有內(nèi)穩(wěn)流件的新型雙槽形熔噴模頭的流場(chǎng)內(nèi)兩股射流融合得更早一些。新型模頭流場(chǎng)中心線上及附近區(qū)域內(nèi)的氣流的速度值較高，有助于生產(chǎn)直徑更小的熔噴纖維和節(jié)省氣體消耗量。
　　普通雙槽形模頭和新型模頭流場(chǎng)內(nèi)兩股射流之間的對(duì)稱平面中心線區(qū)域的速度要遠(yuǎn)高于四周的氣流速度；在它們流場(chǎng)中心線上，氣流的瞬時(shí)速度圍繞某一速度均值上下劇烈變化，這會(huì)影

9、響到熔噴纖維的牽伸及運(yùn)動(dòng)。
　　研究還發(fā)現(xiàn)噴氣孔端面對(duì)普通雙槽形熔噴模頭和帶內(nèi)穩(wěn)流件的雙槽形熔噴下方的流場(chǎng)分布有一定的作用。相對(duì)流場(chǎng)中心區(qū)域，噴氣孔端面附近的氣流速度較低，對(duì)熔噴纖維的生產(chǎn)不利。因此在雙槽形熔噴模頭中，噴絲孔應(yīng)遠(yuǎn)離噴氣孔端面。
　　第4章研究了模頭幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熔噴氣流場(chǎng)的影響，進(jìn)一步對(duì)新型熔噴模頭進(jìn)行了優(yōu)化。
　　選用雷諾應(yīng)力模型，借助數(shù)值計(jì)算方法研究了具有不同幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的雙槽形熔噴模頭流場(chǎng)紡絲中心

10、線上的速度，溫度和湍流強(qiáng)度分布。
　　研究表明隨著噴氣孔傾角和噴氣孔寬度的增大以及頭端寬度的減小，帶有內(nèi)穩(wěn)流件的雙槽形熔噴模頭紡絲線上的速度峰值升高，溫度衰減緩慢，同時(shí)湍流強(qiáng)度峰值減小。
　　內(nèi)穩(wěn)流件的高度和傾角對(duì)新型雙槽形模頭的流場(chǎng)影響較大。增加內(nèi)穩(wěn)流件的高度有助于減小紡絲線上氣流的逆向速度，提高新型模頭紡絲線上的氣流速度和溫度，降低湍流強(qiáng)度峰值。當(dāng)內(nèi)穩(wěn)流件傾角減小時(shí)，流場(chǎng)中心線上的速度增大，逆向速度和湍流強(qiáng)度峰值降低，有

11、利于制備直徑更小的熔噴纖維。內(nèi)穩(wěn)流件的位置對(duì)流場(chǎng)的影響較小。但內(nèi)穩(wěn)流件的位置適中，在一定程度上可以提高紡絲線上的速度峰值，并能降低模頭頭端附近區(qū)域內(nèi)的氣流速度波動(dòng)。
　　其它幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時(shí)，增大外穩(wěn)流件傾角，新型雙槽形熔噴模頭流場(chǎng)紡絲中心線上氣流的湍流強(qiáng)度峰值降低，溫度升高，速度衰減緩慢，但同時(shí)速度峰值減小。當(dāng)噴氣孔和外穩(wěn)流件的傾角相等時(shí)，新型雙槽形熔噴模頭具有較佳的流場(chǎng)。
　　通過(guò)單因素分析可以得到的雙槽形熔噴模頭的最

12、優(yōu)幾何結(jié)構(gòu)尺寸為噴氣孔傾角α=60°，頭端寬度f(wàn)=2.02 mm，噴氣孔寬度b=1.05mm，內(nèi)穩(wěn)流件的高度Ih=1.403mm，內(nèi)穩(wěn)流件的位置Ic=0.3mm，內(nèi)穩(wěn)流件的傾角β=45°，外穩(wěn)流件的傾角γ=60°。但設(shè)計(jì)熔噴氣流模頭時(shí)，其中某些幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)有可能沖突，不可兼得。例如當(dāng)頭端寬度f(wàn)=2.02 mm和內(nèi)穩(wěn)流件的高度Ih=1.403mm時(shí)，內(nèi)穩(wěn)流件的傾角β無(wú)法達(dá)到45°，此時(shí)應(yīng)合理選擇，有所取舍。取其中某些最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)經(jīng)組合之后

13、，可使熔噴氣流場(chǎng)的性能得到大幅度改善。
　　應(yīng)用S hamb augh的一維拉伸模型可以證明，優(yōu)選改進(jìn)后的熔噴模頭更有利于制備直徑更細(xì)的熔噴纖維。
　　第5章對(duì)考慮聚合物熔體運(yùn)動(dòng)的熔噴氣流場(chǎng)進(jìn)行了初步探討。
　　由于熔噴纖維在牽伸過(guò)程中不僅發(fā)生相變，而與拉伸氣流的耦合作用極其復(fù)雜，因此大部分研究人員在對(duì)熔噴流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算工作中忽略了熔噴纖維的存在。本文對(duì)熔噴纖維/空氣兩相流流場(chǎng)進(jìn)行了研究。第5章基于流體體積函數(shù)方法，借

14、助計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)環(huán)形熔噴模頭的三維非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了求解。通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到了聚合物熔體在紡絲過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡。研究表明：（1）在同一時(shí)刻，環(huán)形模頭的不同中心對(duì)稱平面中的壓力分布基本相同，但速度分布則可能不同；（2）流場(chǎng)中心線上的速度隨時(shí)間的改變而不斷變化；（3）隨著紡絲的進(jìn)行，紡絲線上的壓強(qiáng)變化很??；（4）同一時(shí)刻紡絲線周圍的氣流速度不同可造成纖維的鞭動(dòng)。
　　第6章是全文的結(jié)論和展望。
　　對(duì)本文的研究成果作出總結(jié)，并闡