江 磊，林 江，劉翊之

(浙江科技學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，杭州 310023)

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擾動對纖維沉降特性影響的試驗研究

江 磊，林 江，劉翊之

(浙江科技學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，杭州 310023)

為了研究有初始擾動的情況下不同長徑比的碳纖維的沉降規(guī)律，使用高速攝像機拍攝記錄下碳纖維沉降過程中的形態(tài)。通過試驗發(fā)現(xiàn)：纖維在水中沉降的軌跡都是由豎直方向逐漸趨向水平方向，并最終趨于穩(wěn)定；在相同的擾動量下，纖維的初始轉(zhuǎn)動速率隨著長徑比的增大而減小，當(dāng)長徑比λ=9，擾動量n=50 r/min時達到最大值4.2 r/min，并且長徑比越小纖維轉(zhuǎn)動速率到達0的時間越短；在相同的擾動量下，隨著纖維的長徑比增大，纖維的初始轉(zhuǎn)動速率減小，并且轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律逐漸趨向于線性，擾動量越大，纖維轉(zhuǎn)動速率到達0的時間越短。

纖維沉降；長徑比；擾動量；轉(zhuǎn)動速率

纖維懸浮流中存在一些包含在液或氣中的固態(tài)纖維，與研究非牛頓理論及多相流緊密相關(guān)，因此，對纖維懸浮流的研究很有價值。此外，纖維懸浮流得到了廣泛的應(yīng)用，如復(fù)合材料是材料科學(xué)中的重要一環(huán)，其中短纖維材料又是復(fù)合材料的核心，而加工和成形短纖維復(fù)合材料需要涉及纖維懸浮流的相關(guān)理論，尤其是動力學(xué)，其原因是加工時纖維取向是由流動誘導(dǎo)的，這影響到成品的質(zhì)量。

現(xiàn)代電子設(shè)備基本上都帶有電磁屏蔽材料，而電磁屏蔽材料的主要成分就是碳纖維。碳纖維在電磁屏蔽材料的表面分布越均勻整齊則材料性能越好。因此，研究碳纖維在沉降的過程中的干擾因素對制造高性能的電磁屏蔽材料有一定的意義。邵雪明等[1]以長寬比和初始取向為變量，使用了組偶數(shù)階取向張量表示纖維的取向分布函數(shù)，這有助于預(yù)測纖維取向。纖維取向主要有2種方法：一是對Fokker-Planck方程進行直接求解；二是采用封閉近似的方法去除高階取向張量的不封閉，從而得到每階的取向張量。其中，第二種方法主要用在懸浮流計算過程中。然而人們對這種方法的準(zhǔn)確性有一定的異議，尤其是在處理復(fù)雜流動問題時。Lipscombl等[3]求解了軸對稱的收縮管道內(nèi)的纖維懸浮流，在試驗中發(fā)現(xiàn)纖維對流場的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響。王葉龍等[4]使用Boltzmann法進行模擬得到了粒子沉降時的平均速度、取向分布并得出了粒子最終趨向于水平分布的結(jié)論。Lin 等[5]通過數(shù)值模擬得到了楔形體內(nèi)的纖維懸浮流場，發(fā)現(xiàn)隨著時間步長的增加，纖維越來越趨向于流線方向。

由于研究纖維懸浮流對實驗儀器精度要求較高，所以早期的研究者們更傾向于數(shù)值模擬計算[6-14]，關(guān)于纖維懸浮流的試驗卻寥寥無幾。因此，本課題組在前人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套較完整的試驗方案，對纖維在沉降過程中旋轉(zhuǎn)速度的影響因素等進行研究。

1 試驗方法

1.1 試驗設(shè)備

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Diagram of experimental device

擾動水路試驗裝置如圖1所示，裝置的主要設(shè)備包括一個水流擾動裝置，一個測試水槽，其中水槽采用透光性較好的有機玻璃加工而成，以便于觀察纖維在水中擾動的情況并進行測量。為了減少外界的干擾因素，特別在水槽、擾動裝置、試驗臺、地面之間均安裝了緩沖墊。尺寸參數(shù)：水槽地面高度500 mm，水位400 mm，橫截面為一個150 mm×100 mm的矩形，水槽的壁面厚度為2 mm，長寬比為3∶2。擾動裝置擾動量固定設(shè)置為50、100、150 r/min。

圖2 纖維形態(tài)Fig.2 The state of fibers

本試驗采用高速攝像系統(tǒng)對纖維在試驗段的取向進行拍攝。高速攝像系統(tǒng)(OLYMPUS i-SPEED)主要包括攝影機、控制器顯示裝置、輔助照明燈，高速攝像機具有實時捕獲移動的目標(biāo)、快速記錄圖像、即時回放而且所拍的圖像直觀清晰的優(yōu)點。試驗中運動的纖維受到人工輔助打光燈光的照射，可以產(chǎn)生反射光，這些反射光的一部分透過高速成像系統(tǒng)的成像物鏡落在其像感面上，之后受到驅(qū)動電路的控制響應(yīng)其中的目標(biāo)，每個采樣點都會對應(yīng)地產(chǎn)生電荷包，通過這種手段完成光電轉(zhuǎn)換。最后這些電荷包被讀出到設(shè)備中。讀出的信號經(jīng)過處理后傳輸至控制器顯示裝置，由它把圖像讀出并顯示和判斷，最后將結(jié)果輸出。因此，這套高速攝像系統(tǒng)主要由光學(xué)成像、光電成像、信號傳輸、圖像儲存與處理這幾部分構(gòu)成。

1.2 試驗材料

試驗中選用的纖維是碳纖維，是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型材料。碳纖維具有許多優(yōu)良的性能，如耐疲勞性突出、各向異性、電磁屏蔽性好等。本試驗采取的碳纖維密度為1.78 g/cm3，長徑比λ分別為1、3、10。圖2為本試驗所采取的碳纖維，從圖2可觀察出個體纖維軸線基本上可以保持直線，單根纖維可以將其視為細長的圓柱體。

1.3 試驗步驟

每次測試之前會使用重垂線對試驗段進行校準(zhǔn)，以保證水槽豎直。然后往水槽中加入純凈水直到水面高度到達400 mm，啟動擾動裝置，使其保持一個穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，最后投入碳纖維。在試驗中以纖維長徑比1、3、10與擾動量50、10、150 r/min為變量，采用正交試驗法，在相同的擾動量下投入長徑比不同的纖維，以及在相同的長徑比下控制擾動量的變化，共計9次試驗。最后用高速攝像機記錄了水面高度為100 mm處碳纖維的纖維形態(tài)變化，拍攝纖維在0、3、6、9、12 s時的運動軌跡。

2 試驗結(jié)果

圖3 擾動量為50 r/min時的纖維形態(tài)Fig.3 Fiber morphology when disturbance speed 50 r/min

在擾動量為50 r/min時，長徑比為1的纖維在9 s左右時最先轉(zhuǎn)動趨于水平方向，長徑比為3的纖維在12 s左右時趨于水平方向，長徑比為10的纖維在12 s時并沒有達到水平方向但是仍然有轉(zhuǎn)動至水平方向的趨勢，如圖3所示。

在擾動量為100 r/min時，長徑比為1的纖維在6 s左右最先轉(zhuǎn)動趨于水平方向，長徑比為3的纖維在9 s左右趨于水平方向，長徑比為10的纖維在12 s時并沒有達到水平方向但是仍然有轉(zhuǎn)動至水平方向的趨勢，如圖4所示。

在擾動量為150 r/min時，長徑比為1的纖維在3 s左右時最先轉(zhuǎn)動趨于水平方向，長徑比為3的纖維在6 s左右時趨于水平方向，長徑比為10的纖維在12 s左右時轉(zhuǎn)動至水平方向，如圖5所示。

圖4 擾動量為100 r/min時的纖維形態(tài)Fig.4 Fiber morphology when disturbance speed 100 r/min

圖5 擾動量為150 r/min時的纖維形態(tài)Fig.5 Fiber morphology when disturbance speed 150 r/min

定義OP為碳纖維在空間中任意一根碳纖維取向，可以用水平角度φ與豎直角度θ來表示，纖維的取向如圖6所示。本試驗研究計算了纖維沉降到達底部時豎直旋轉(zhuǎn)的角速度，以及纖維在不同時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)的平均角速度，通過擬合得到了纖維取向，不同擾動量與長徑比情況下的纖維轉(zhuǎn)動速率如圖7所示。由圖7可知，單根碳纖維在沉降的過程中，纖維取向與長徑比、外部擾動量的大小均有關(guān)。隨著長徑比的增大，轉(zhuǎn)動速率的衰減變緩；隨著擾動量的增大，轉(zhuǎn)動速率的衰減加快。

圖6 纖維取向Fig.6 Fiber orientation diagram

圖7 不同擾動量與長徑比情況下的纖維轉(zhuǎn)動速率Fig.7 Fiber rotation speed diagram

3 結(jié) 論

針對纖維在流體中的沉降問題，采用正交試驗法追蹤了纖維在垂直管道中沉降的形態(tài)變化，最終得出了如下結(jié)論：

1)纖維在水中沉降的軌跡都是由豎直方向逐漸趨向水平方向，并最終趨于穩(wěn)定。

2)在相同的擾動量下，纖維的初始轉(zhuǎn)動速率隨著長徑比的增大而減小，當(dāng)λ=1，n=50 r/min時達到最大值4.2 r/min。并且長徑比越小纖維轉(zhuǎn)動速率到達0的時間越短。

3)在相同的擾動量下，隨著纖維的長徑比的增大，纖維的初始轉(zhuǎn)動速率減小，并且轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律逐漸趨向于線性。擾動量越大，纖維轉(zhuǎn)動速率到達0的時間越短。

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Experimental study on the effect of disturbance on fiber settlement

JIANG Lei, LIN Jiang, LIU Yizhi

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023,Zhejiang,China)

In order to explore the settlement law of carbon fibers with different aspect ratios under the circumstances of initial disturbance, the morphology of carbon fibers was recorded by a high-speed camera. It is found that：the fiber deposition in the water first heads on the vertical track, then changes gradually to the horizontal direction, and eventually keeps stable; the amount of disturbance being identical, the initial rotation rate of the fiber decreases with the increase of the aspect ratio, and reaches the maximum value 4.2 r/min when the aspect ratio being and disturbancen=50 r/min. And the smaller the aspect ratio is, the shorter it takes the rotation rate to reach 0; the amount of disturbance being identical, with the increase of the aspect ratio of the fiber, the initial rotation rate decreases. And the change of the rotation angle tends to be linear. The greater the disturbance is, the shorter it takes the rotation rate to reach 0.

fiber settlement; aspect ratio; amount of disturbance; rotation rate

10.3969/j.issn.1671-8798.2017.03.004

2017-03-08

國家自然科學(xué)基金項目(51376162)

林 江(1963— )，女，浙江省杭州人，教授，博士，主要從事多相流理論及其應(yīng)用研究。E-mail:linjiang@zust.edu.cn。

TH140;O39

A

1671-8798(2017)03-0178-05