杜利娟，曾泳春

（東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620）

熔噴技術(shù)是生產(chǎn)非織造材料的一種方法，在熔噴紡絲過(guò)程中，高壓、高溫氣流作用于熔融聚合物，使得聚合物射流拉伸變細(xì)，然后逐漸凝固成絲，氣流的速度和溫度是熔噴氣流拉伸模型中的重要條件，而噴嘴的結(jié)構(gòu)又將影響氣流的速度和溫度分布.現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)熔噴氣流場(chǎng)的研究多集中于常見(jiàn)的環(huán)形噴嘴[1－3]和狹槽形噴嘴[4－6]，而 對(duì) 螺 旋 形 噴 嘴 的 研究較少.文獻(xiàn)[7]指出，螺旋形噴嘴主要應(yīng)用于控制黏合劑以特定的形態(tài)沉淀附著在某種基質(zhì)上，螺旋形噴嘴的流體動(dòng)力學(xué)是一個(gè)非常復(fù)雜的湍流形態(tài)，且這種復(fù)雜可能是由氣體的螺旋性、局部高速性、噴嘴微小的尺寸特征和復(fù)雜的幾何特征引起的.為了探討這種特殊的噴嘴對(duì)于熔噴流場(chǎng)及紡絲的作用，本文以螺旋形噴嘴為研究對(duì)象，對(duì)氣流場(chǎng)的速度和溫度進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證.

1 數(shù)值模擬

1.1 熔噴流場(chǎng)幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分

螺旋形噴嘴的幾何結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示.數(shù)值模擬所采用的軟件是Fluent 6.3，它是用于模擬和分析在復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)與熱交換問(wèn)題的專用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件[8].其中，Gambit為Fluent的前處理軟件，用于模型建立和網(wǎng)格劃分.螺旋形噴嘴具備周期性旋轉(zhuǎn)的幾何特點(diǎn)，為方便計(jì)算及節(jié)省時(shí)間，取其中的1／6為模型，系統(tǒng)坐標(biāo)原點(diǎn)為噴嘴中心，x軸穿過(guò)進(jìn)氣孔中心面，y軸垂直于x軸，z軸正方向垂直于噴嘴表面向上.整個(gè)噴嘴下方的計(jì)算區(qū)域定義為一圓柱形，高度為70mm，圓面直徑為D，進(jìn)氣孔入口直徑為d，旋轉(zhuǎn)角度為θ，6個(gè)進(jìn)氣孔以α（60°）等角度排列在噴嘴聚合物入口的周圍，如圖2所示.

圖1 螺旋形噴嘴結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of swirl nozzle

圖2 螺旋形噴嘴CFD模型Fig.2 CFD model of swirl nozzle

網(wǎng)格劃分中，面網(wǎng)格為四邊形和三角形非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，體網(wǎng)格通常采用四面體和六面體網(wǎng)格，但螺旋形噴嘴因其較為復(fù)雜的幾何形狀，不適合在整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)使用同一類型的網(wǎng)格.本文采用混合型體網(wǎng)格，即在靠近模頭面區(qū)域采用六面體網(wǎng)格，其余采用四面體網(wǎng)格.初始化網(wǎng)格數(shù)量為1 468 794.

1.2 邊界條件的設(shè)置

熔噴流場(chǎng)屬于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，不需要設(shè)置初始條件，計(jì)算區(qū)域的邊界條件設(shè)置如圖3所示.入口處壓力為141.855kPa，在該壓強(qiáng)下空氣可壓縮，材料屬性設(shè)置為可壓縮理想氣體.由于整個(gè)區(qū)域關(guān)于中心軸周期性旋轉(zhuǎn)，因此，取其中的1／6模型進(jìn)行計(jì)算.具體邊界條件如下所述.

（1）壓力入口邊界：噴嘴入口處由空氣壓縮機(jī)提供高溫高速氣流，為壓力入口邊界.根據(jù)Fluent中各項(xiàng)參數(shù)條件的定義，設(shè)置6個(gè)噴嘴的入口總壓均為141.855kPa，溫度為473K，氣流速度入口方向與螺旋氣孔傾斜角度一致.壓力入口的脈動(dòng)強(qiáng)度為10%，根據(jù)噴孔直徑設(shè)置水力直徑為0.5mm.

（2）壓力出口邊界：氣體射流從螺旋噴嘴射出后，在噴嘴下方區(qū)域自由擴(kuò)散，氣體出口邊界為大氣環(huán)境，因此出口壓力為101.325kPa，溫度為300K，壓力出口脈動(dòng)強(qiáng)度為10%，根據(jù)噴嘴表面直徑設(shè)置水力直徑為30mm.

（3）周期性邊界：由于本文建立的是噴嘴的1／6部分，因此存在兩個(gè)周期性旋轉(zhuǎn)界面，界面類型設(shè)置為Rotational，壓力變化為0Pa.

（4）壁面邊界：噴嘴的其余面設(shè)置為壁面，保留默認(rèn)設(shè)置.

圖3 螺旋形噴嘴流場(chǎng)的邊界條件Fig.3 Boundary conditions of the flow field of swirl nozzle

1.3 求解器與計(jì)算模型

Fluent默認(rèn)使用分離式求解器，但對(duì)于高速可壓縮理想氣體的流動(dòng)，耦合求解器更為合適.本文采用基于密度的隱式求解器.熔噴流場(chǎng)為湍流模型，選擇標(biāo)準(zhǔn)κ－ε模型，波動(dòng)參數(shù)Cε1和Cε2分別為1.24和2.05[9].迭代的初始柯朗數(shù)“Courant Number”設(shè)為1，離散格式為一階迎風(fēng)，然后根據(jù)迭代穩(wěn)定性的提高可逐漸調(diào)大Courant Number來(lái)加快收斂速度，同時(shí)將離散格式改為二階迎風(fēng)來(lái)提高迭代精度.

1.4 計(jì)算與收斂判斷

在Fluent中設(shè)置上述參數(shù)條件后，開(kāi)始初始化迭代計(jì)算.計(jì)算的收斂可通過(guò)殘差曲線來(lái)判斷，通常殘差達(dá)到10－3即可認(rèn)為達(dá)到收斂.同時(shí)設(shè)置入口和出口質(zhì)量監(jiān)視曲線，對(duì)方程組解的收斂過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)出現(xiàn)的問(wèn)題調(diào)整相關(guān)設(shè)置，直至達(dá)到指定收斂精度，迭代結(jié)束.本次模擬在迭代70 000次后質(zhì)量流量基本保持在0左右，說(shuō)明進(jìn)口與出口的氣體流量符合質(zhì)量守恒.計(jì)算90 000次后，殘差曲線波動(dòng)基本保持不變，且各指標(biāo)殘差均達(dá)到10－4以下，則判斷解收斂.

2 螺旋形噴嘴流場(chǎng)的試驗(yàn)測(cè)量

本文對(duì)熔噴流場(chǎng)的測(cè)量采用丹麥丹迪公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的熱線風(fēng)速儀，型號(hào)為 Dantec CTA／HWA（Streamline），包括 Dantec StreamLine CTA 90C10測(cè)速模塊和 Dantec StreamLine CTA 90C20測(cè)溫模塊.熔噴設(shè)備是實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的熔噴實(shí)驗(yàn)機(jī).熔噴設(shè)備中空氣壓縮機(jī)提供的高壓氣體被熔噴機(jī)加熱后從噴嘴的6個(gè)進(jìn)氣孔中噴出，匯聚在噴嘴下方，安裝在噴嘴下方三維支架上的熱線探頭對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量.探頭直徑為5μm，探頭支架的寬度為1.2mm，支架移動(dòng)精度為0.01mm，試驗(yàn)設(shè)備配置如圖4所示.

圖4 試驗(yàn)配置圖Fig.4 Experimental configuration

螺旋形噴嘴的氣流集中在噴嘴中心線附近，因此，測(cè)量x-z平面和y-z平面，兩平面上的測(cè)量點(diǎn)分布相同，分布范圍為－30.0mm≤x≤30.0mm；－30.0mm≤y≤30.0mm；7.5mm≤z≤70.0mm.由于靠近噴嘴中心附近流場(chǎng)變化較快，在x軸和y軸方向上，對(duì)區(qū)域－8.0mm≤x≤8.0mm和－8.0 mm≤y≤8.0mm進(jìn)行加密測(cè)量，每隔1mm測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，其他區(qū)域內(nèi)每隔5mm測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，共計(jì)27個(gè)點(diǎn)；在z軸方向上，每隔2.5mm測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，共測(cè)26個(gè)點(diǎn).x-z平面上測(cè)量點(diǎn)分布如圖5所示.由于x和y方面的測(cè)量點(diǎn)分布相同，故y-z平面上的測(cè)量點(diǎn)分布同圖5.

圖5 螺旋形噴嘴試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)分布Fig.5 Distribution of experimental measuring position of swirl nozzle

3 結(jié)果與討論

3.1 模擬結(jié)果顯示與分析

圖6 螺旋形噴嘴熔噴流場(chǎng)的速度等值圖Fig.6 Velocity contours of the melt blowing flow field of swirl nozzle

為了清楚直觀地反映螺旋形噴嘴核心區(qū)域的流場(chǎng)變化，在Fluent中取周期旋轉(zhuǎn)面的速度和溫度等值圖，如圖6和7所示.由圖6和7可以看出，氣流場(chǎng)具有自由發(fā)散的特性，即高溫、高速氣流從螺旋噴嘴噴出后的開(kāi)始階段主要集中在噴嘴中心線附近正下方區(qū)域，并且溫度和速度都較大，隨著到噴絲板距離的增大，射流逐步向周圍環(huán)境擴(kuò)散，溫度擴(kuò)散的范圍大于速度，同時(shí)速度和溫度值發(fā)生衰減，最終發(fā)散到大氣環(huán)境中.

圖7 螺旋形噴嘴熔噴流場(chǎng)的溫度等值圖Fig.7 Temperature contours of the melt blowing flow field of swirl nozzle

聚合物從噴嘴擠出后主要在中心區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)，為表征纖維在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況，需研究射流噴射后的運(yùn)動(dòng)情況，流場(chǎng)跡線如圖8所示.從圖8可以看出，6股氣流射出后分別單獨(dú)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)一段距離后在某一位置合并，然后在很小的一段距離內(nèi)保持螺旋形衰減直至最終合成一股氣流向下流動(dòng).為更加清楚地說(shuō)明氣流的這種運(yùn)動(dòng)，取靠近噴嘴附近的速度矢量圖，如圖9所示.由圖9可清楚地看出，氣流在噴出至合并之前，存在一個(gè)極小的“回旋氣流”區(qū)域，使得這部分流場(chǎng)不穩(wěn)定，而出現(xiàn)反向流動(dòng)的氣流，此時(shí)各氣流單獨(dú)流動(dòng)，使得回旋區(qū)域的流場(chǎng)速度值很?。▓D中黑色圓環(huán)標(biāo)出的部分），最大速度仍然存在于氣體的流入方向.綜合圖8和9可以看出，與工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的狹槽形噴嘴和環(huán)形噴嘴氣流場(chǎng)相比，螺旋形噴嘴氣流場(chǎng)具有如下特點(diǎn)：

（1）6股氣流從噴嘴噴出后，具有各自的旋轉(zhuǎn)區(qū)域；

（2）6股氣流在“合并點(diǎn)”之初開(kāi)始逐漸匯聚為一股氣流，匯聚后在一段距離內(nèi)保持旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)；

（3）在距離噴嘴較遠(yuǎn)處的流場(chǎng)遠(yuǎn)端，氣流的旋轉(zhuǎn)特點(diǎn)消失，最終合并為一股向下發(fā)散的氣流并快速衰減.

圖8 螺旋形噴嘴流場(chǎng)軌跡Fig.8 Pathlines of the flow field of swirl nozzle

圖9 螺旋形噴嘴附近區(qū)域的速度矢量圖Fig.9 Velocity vector near the center of swirl nozzle

靠近噴嘴附近不同z位置上的速度和溫度變化如圖10所示.由圖10（a）可以看出，在z＝1mm和z＝3mm時(shí)，x軸上的速度曲線呈“雙峰”狀態(tài)，這就解釋了前面提到過(guò)的回旋區(qū)域，此時(shí)中心點(diǎn)處的速度值最?。辉趜＝5mm時(shí)，曲線變?yōu)閱畏?，則可認(rèn)為此時(shí)氣流達(dá)到“合并點(diǎn)”.合并點(diǎn)之后的速度曲線都呈單峰狀，并且隨著z值不斷增加，速度不斷下降.圖10（b）中顯示的溫度曲線與速度曲線的規(guī)律不同，不同z值的溫度曲線都呈現(xiàn)單峰狀，越靠近中心溫度越高，并沒(méi)有出現(xiàn)單雙峰更替出現(xiàn)的情況，且隨著z值的不斷增加，溫度呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì).這是因?yàn)闇囟葹闃?biāo)量值，并不受回旋氣流方向的影響，這也驗(yàn)證了HIETEL等[10]的研究.

3.2 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的有效性，將模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖11～14所示.圖11為熔噴流場(chǎng)中心線（x＝0，y＝0）上速度和溫度衰減的對(duì)比.試驗(yàn)中速度從z＝7.5mm開(kāi)始，共測(cè)量26個(gè)點(diǎn).溫度測(cè)量時(shí)，由于對(duì)氣體進(jìn)行加熱使得靠近噴嘴區(qū)域的氣體溫度過(guò)高，容易導(dǎo)致熱線探頭金屬絲的斷裂，因此，溫度測(cè)量從z＝17.5mm開(kāi)始，共測(cè)量22個(gè)點(diǎn).從圖11可以看出，速度模擬值小于試驗(yàn)值，溫度模擬值大于試驗(yàn)值，但衰減趨勢(shì)基本吻合.造成這種現(xiàn)象的原因，可能是本文對(duì)于螺旋形噴嘴的數(shù)值模擬選擇了湍流中最常用的κ－ε模型，但由于螺旋形噴嘴本身幾何機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，以及所產(chǎn)生的螺旋形氣流的復(fù)雜性，κ－ε模型并不一定是最合適的模型.在后續(xù)的研究中，還需要嘗試其他模型進(jìn)行模擬并選出更為合適的計(jì)算模型.

圖12～14顯示了不同z位置上流場(chǎng)的速度和溫度沿x軸的分布.由圖12～14可以看出，沿x方向，越靠近噴嘴中心，速度和溫度值越大，變化主要集中在－5mm≤x≤5mm區(qū)域內(nèi)；沿z方向，溫度和速度值均隨著與噴絲板距離的增大而逐漸衰減，但速度的衰減大于溫度.同時(shí)也可以看出，試驗(yàn)和模擬結(jié)果的變化趨勢(shì)基本吻合.

顯然，試驗(yàn)中的測(cè)量點(diǎn)都在“合并點(diǎn)”之后，所以無(wú)論是速度曲線還是溫度曲線都呈單峰狀分布.綜上所述，在合并點(diǎn)之前，速度曲線呈雙峰形狀，說(shuō)明速度在中心線位置相對(duì)于其他位置較小，而在合并點(diǎn)之后的速度都呈單峰狀，說(shuō)明在同一水平位置上中心線的速度最大，且隨著z值的增大速度逐漸衰減；對(duì)于溫度分布，合并點(diǎn)之前是整個(gè)熔噴流場(chǎng)溫度達(dá)到最大的區(qū)域，但溫度的衰減也是在合并點(diǎn)之前就已經(jīng)開(kāi)始.

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用Fluent軟件對(duì)螺旋形噴嘴熔噴流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬及試驗(yàn)測(cè)量，并由三維模擬的計(jì)算結(jié)果對(duì)氣流的溫度和速度進(jìn)行了分析，將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出下述結(jié)論.

（1）Fluent軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)螺旋形噴嘴氣體的流動(dòng)情況和速度、溫度變化的數(shù)值模擬，這對(duì)節(jié)省試驗(yàn)成本和時(shí)間有重要意義.

（2）通過(guò)數(shù)值模擬可知螺旋形噴嘴的熔噴流場(chǎng)具有螺旋特點(diǎn)，在流動(dòng)過(guò)程中各股氣流首先單獨(dú)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，然后開(kāi)始接觸合并且在很小的一段距離內(nèi)依然保持螺旋性，最后完全融合衰減，這在試驗(yàn)中難以觀察到；

（3）數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比在趨勢(shì)變化上趨于一致，基本吻合，在試驗(yàn)條件受限的情況下，可用來(lái)反映和預(yù)測(cè)熔噴核心區(qū)域流場(chǎng)的變化特點(diǎn)和規(guī)律，這為分析纖維在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)、改進(jìn)聚合物的擠出條件、優(yōu)化模頭設(shè)計(jì)將提供重要依據(jù)；

（4）數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比在數(shù)值上存在一定差異，并且流場(chǎng)速度的測(cè)量值大于模擬值，溫度的測(cè)量值小于模擬值.造成這種差異的原因，可能是本文對(duì)于螺旋形噴嘴的數(shù)值模擬選擇了湍流中最常用的κ－ε模型，但螺旋形噴嘴本身結(jié)構(gòu)以及所產(chǎn)生的螺旋形氣流的復(fù)雜性，可能需要嘗試多種其他模型進(jìn)行對(duì)比以尋找更為合適的模型.本文僅作為對(duì)螺旋形噴嘴氣流場(chǎng)的初探，對(duì)湍流模型的選擇有待在后續(xù)的研究中做進(jìn)一步的探討.

參 考 文 獻(xiàn)

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