熔喷三维流场数值分析

熔喷三维流场数值分析

该技术具有低工艺、高生产效率的特点，近年来取得了迅速的进展。熔喷纤维的平均直径可达到微米或亚微米级气流模头是熔喷设备中的核心部件，其提供的高速射流不仅决定熔喷纤维的直径，而且影响熔喷纤维的强度、结晶度等性能，因此，对熔喷气流模头下方喷射流场进行研究是探究熔喷纤维拉伸机制的基础，国内外很多科研人员致力于熔喷模头喷射流场的研究，以期细化熔喷纤维的直径。Shambaugh等二维数值模拟忽略了喷气孔的2个端面对熔喷流场的影响，其计算结果不能准确地反映熔喷喷射流场的全部流动特性，因此，对熔喷流场进行三维数值模拟研究是完全有必要的。本文采用数值模拟方法对双槽形熔喷模头的三维高速高温流场进行表征与分析，以期深层次探讨熔喷纤维牵伸成形机制。1双槽扩散三维流场模型的构建1.1入模头下形成非等温流场图1示出双槽形熔喷模头的结构示意图。高温压缩空气从喷气孔进入，在模头下方形成非等温流场。本文所采用的双槽形熔喷模头的喷气孔宽度b为0.65mm，喷气孔倾斜角度β为60°，喷气孔外端宽度h为3.32mm，喷气孔长度l为20mm。1.2双槽形熔喷流场的计算域图2示出双槽形熔喷模头的计算域。可知，双槽形模头流场的计算域包括喷气孔空间部分和其下方的流场部分。由于双槽形熔喷模头的计算域是关于xy平面和xz平面对称的，计算域只选取整个双槽形熔喷模头流场空间的四分之一，可减少计算时间和提高计算效率。计算域的尺寸参考了前人的研究1.3k-湍流模型在熔喷三维流场中，气流以可压缩、黏性、非等温湍流形式存在。通过实验测量数据与数值模拟结果对比发现，标准的k-ε湍流模型在标准的k-ε方程模型中，k和ε的时均形式的输运方程为式中:ρ为流场中的气体密度，kg/m2计算值的值2.1面体网格类型使用Gambit对计算域分区进行网格划分，选用六面体网格类型;采用“Map”划分方式，并对2股射流交汇及附近的区域进行自适应区域加密。网格总数为1421110。2.2高压气流的绝对负压图2中，ABCD平面设为“压力入口”。入口处高压气流的绝对压强设为126656.25Pa，气体温度为400K。入口处边界条件中的水力直径为喷气孔的宽度，湍流强度设为10%。EE3结果与分析3.1u3000x值对2股射流场的影响图3～6示出不同xy平面上的速度、温度和静压分布。可以看出，在xz平面内中心处的速度值、温度值和压强值较两侧区域高。熔喷纤维位于xz平面流场中心区域内时，有利于其细化。当z为1mm时，从图中可以看出，平面上的温度和压强呈单峰状，而平面上速度有2个峰值，此时2股射流还未融合，保持各自流动的状态;随着x值的增大，平面上的速度、温度和压强变化不显著。随着z值的增大(5mm≤z≤30mm),xy平面上的速度、温度和压强都只有1个峰值且逐渐平缓。表明2股射流已融合成1股射流，随着喷射距离增加，融合后的射流向四周扩散，中心处的射流逐渐带动远处的气体向下运动，平面上的速度、温度和压强随z值增大逐渐降低。在流场的中心区域，不同xy平面上的速度、温度、压强随着x值的增加基本没有变化。而在远离流场中心的区域，流场中的速度、温度和压强随着x值的增大而有所降低。当z值进一步增大时(z=50mm),xy平面上的速度、温度和压强峰值进一步降低。xy平面上的速度和温度随x值的增大基本没有改变，而此时平面上的压强峰值随着x轴正向略有增大。图3～6表明:喷气孔端面(图2中的DCC3.2纺丝线上的速度分布双槽形熔喷模头的喷丝孔按照一定的间距分布在x轴线上，其轴线与z轴平行(或重合)。这些分布在xz平面上的轴线又被称为纺丝线。在熔喷非织造成品的实际生产中，熔喷纤维的运动路径主要在纺丝线附近图7示出流场中不同纺丝线上的速度分布。可以看出，纺丝线上的速度先迅速增大，在靠近模头的区域达到一个极值后速度开始逐渐减小。对比不同位置处纺丝线上的速度可以发现:流场中心处纺丝线上的速度最高;当远离流场中心后，纺丝线上的速度逐渐降低，位于气槽端面处纺丝线上的气流速度最低。靠近流场中心位置处几条纺丝线上的速度相差不大;而x值的进一步增大，纺丝线上气流速度值与中心处纺丝线上速度值的差异性增大。这说明气槽端面对纺丝线上的速度影响很大，对整个流场的速度分布也有一定的影响。图8示出熔喷三维流场中不同纺丝线上的温度分布。可以看出，温度衰减的速度很快，气槽端面对不同位置处的纺丝线上的温度影响也很大。当远离流场中心处时，纺丝线上的温度逐渐降低;端面处纺丝线上的温度最低，且与中心位置处纺丝线上的温度差值最大。较高的气流速度和温度有利于熔喷纤维的细化图9示出三维气流场中静压在不同纺丝线上的分布。对比图7和图9，纺丝线上静压的变化规律与气流速度的变化规律相似，均呈先急剧增大后逐渐减小。但与速度变化规律不同的是，压力极值点的位置要早于速度极值点的位置。从图9可以看出，端面处纺丝线上的静压最小，其余的纺丝线上的静压值基本一致。这说明气槽端面对纺丝线上的静压有一定的影响，但与对纺丝线上速度和温度的作用相比，效果没那么显著。另外，熔喷流场中不同位置处纺丝线上速度、温度和压强分布的差异，易使不同位置处的聚合物熔体受到不同的气流作用力，发生不同的形变。气槽端面的影响不仅使纺制的熔喷纤维呈现不同的细度和性能等，而且影响纤维在流场中的运动路径，对最终的纤维网结构有一定影响。4双槽形熔喷气流场模拟本文应用Fluent软件对双槽形熔喷模头的三维喷射气流场进行数值计算，并对流场中的速度、温度和静压等进行分析，得出以下结论。1)在三维熔喷气流场中，中心区域内的速度值、温度值和静压值较大。2)用数值模拟的方法可以证明:当双槽形熔喷模头的喷气孔长度较长时，远离气槽端面区域内的非等温三维喷射气流场可简化为二维流场。3)喷气孔的端面对不同位置处纺丝线上的温度、速度和压强分布有