姬長(zhǎng)春， 張開(kāi)源， 王玉棟， 王新厚

(1. 太原理工大學(xué) 輕紡工程學(xué)院， 山西 晉中 030600； 2. 山西能源學(xué)院， 山西 晉中 030600；3. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620)

熔噴非織造技術(shù)具有工藝流程短、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展較快。熔噴纖維的平均直徑可達(dá)到微米或亞微米級(jí)[1]，屬于超細(xì)纖維。相比普通纖維，熔噴纖維具有直徑小、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，其制品結(jié)構(gòu)蓬松、孔隙多而孔隙尺寸小，可用作環(huán)境凈化和生物潔凈的高級(jí)過(guò)濾材料[2-3]。

氣流模頭是熔噴設(shè)備中的核心部件，其提供的高速射流不僅決定熔噴纖維的直徑，而且影響熔噴纖維的強(qiáng)度、結(jié)晶度等性能，因此，對(duì)熔噴氣流模頭下方噴射流場(chǎng)進(jìn)行研究是探究熔噴纖維拉伸機(jī)制的基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)外很多科研人員致力于熔噴模頭噴射流場(chǎng)的研究，以期細(xì)化熔噴纖維的直徑。Shambaugh等[4-5]首次對(duì)雙槽形熔噴模頭下的低速射流場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬，得到了熔噴低速等溫流場(chǎng)的分布狀況。在此基礎(chǔ)上，王曉梅[6]、陳廷[7]以及王新厚等[8-9]借助計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)對(duì)雙槽形模頭的高速非等溫二維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)：噴氣孔寬度、噴氣孔傾斜角度和噴氣孔外端寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)紡絲中心線上速度和溫度的影響較大。辛三法等[10]使用二維數(shù)值方法研究了雙槽熔噴工藝中外沿長(zhǎng)度對(duì)空氣流場(chǎng)特征的影響。其研究表明隨著外沿長(zhǎng)度的增加，空氣速度峰值和壓力峰值減小。研究人員普遍對(duì)熔噴雙槽形流場(chǎng)采用二維簡(jiǎn)化計(jì)算，具有一定的合理性[4-5]。

二維數(shù)值模擬忽略了噴氣孔的2個(gè)端面對(duì)熔噴流場(chǎng)的影響，其計(jì)算結(jié)果不能準(zhǔn)確地反映熔噴噴射流場(chǎng)的全部流動(dòng)特性，因此，對(duì)熔噴流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究是完全有必要的。本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)雙槽形熔噴模頭的三維高速高溫流場(chǎng)進(jìn)行表征與分析，以期深層次探討熔噴纖維牽伸成形機(jī)制。

1 雙槽形熔噴三維流場(chǎng)模型的建立

1.1 雙槽形熔噴氣流模頭

圖1示出雙槽形熔噴模頭的結(jié)構(gòu)示意圖。高溫壓縮空氣從噴氣孔進(jìn)入，在模頭下方形成非等溫流場(chǎng)。本文所采用的雙槽形熔噴模頭的噴氣孔寬度b為0.65 mm，噴氣孔傾斜角度β為60°，噴氣孔外端寬度h為3.32 mm，噴氣孔長(zhǎng)度l為20 mm。

圖1 雙槽形熔噴模頭的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of slot melt-blown die-head. (a) Cross-sectional view of slot die; (b) Top view of slot die

1.2 雙槽形熔噴流場(chǎng)的幾何模型

圖2示出雙槽形熔噴模頭的計(jì)算域?？芍p槽形模頭流場(chǎng)的計(jì)算域包括噴氣孔空間部分和其下方的流場(chǎng)部分。由于雙槽形熔噴模頭的計(jì)算域是關(guān)于xy平面和xz平面對(duì)稱的，計(jì)算域只選取整個(gè)雙槽形熔噴模頭流場(chǎng)空間的四分之一，可減少計(jì)算時(shí)間和提高計(jì)算效率。計(jì)算域的尺寸參考了前人的研究[5,11]：噴氣孔空間部分的高度為5 mm；沿z軸方向的長(zhǎng)度為100 mm，沿x軸方向的長(zhǎng)度為30 mm，沿y軸方向的長(zhǎng)度為13 mm。

圖2 雙槽形熔噴模頭的計(jì)算域Fig.2 Computational domain of slot melt-blown die

1.3 模型假設(shè)與系統(tǒng)描述

在熔噴三維流場(chǎng)中，氣流以可壓縮、黏性、非等溫湍流形式存在。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型[12]可較為準(zhǔn)確地捕捉熔噴流場(chǎng)中湍流流動(dòng)[5,11]，因此，本文選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。

在標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程模型中，k和ε的時(shí)均形式的輸運(yùn)方程為

(1)

(2)

式中：ρ為流場(chǎng)中的氣體密度，kg/m3；k為氣體傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；μ為空氣的動(dòng)力黏度，N·s/m2；ui為氣流速度矢量u在x方向的分量；i和j的取值范圍為[1，2，3]；μt為湍動(dòng)黏度，N·s/m2；C1ε、C2ε和C3ε均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk為湍動(dòng)能k對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；σε為湍動(dòng)耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；Gk為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；Sk和Sε為源項(xiàng)。本文中，C1ε=1.24，C2ε=2.05，其他的系數(shù)保持為默認(rèn)值，可保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)一致，其余參數(shù)的單位設(shè)置和取值參考文獻(xiàn)[11]。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 網(wǎng)格劃分

使用Gambit對(duì)計(jì)算域分區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選用六面體網(wǎng)格類型；采用“Map”劃分方式，并對(duì)2股射流交匯及附近的區(qū)域進(jìn)行自適應(yīng)區(qū)域加密。網(wǎng)格總數(shù)為1 421 110。

2.2 邊界條件和參數(shù)設(shè)定

圖2中，ABCD平面設(shè)為“壓力入口”。入口處高壓氣流的絕對(duì)壓強(qiáng)設(shè)為126 656.25 Pa，氣體溫度為 400 K。入口處邊界條件中的水力直徑為噴氣孔的寬度，湍流強(qiáng)度設(shè)為10%。EE1F1F平面、FF1G1G平面和O1E1F1G1平面設(shè)定為“壓力出口”。計(jì)算域出口處即為大氣環(huán)境，出口處氣體的壓強(qiáng)為 101 325 Pa，氣體溫度為300 K，水力直徑為10 mm，回流氣體的湍流強(qiáng)度為10%。ABB1A1平面、OEE1O1平面和OGG1O1平面被設(shè)為“對(duì)稱面”。計(jì)算域的其他平面設(shè)為無(wú)滑移壁面邊界。壁面溫度設(shè)為410 K。采用FLUENT 6.3.26進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算終止條件設(shè)定為殘差達(dá)到10-3。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同xy平面上的速度、溫度和壓力分布

圖3～6示出不同xy平面上的速度、溫度和靜壓分布?？梢钥闯?，在xz平面內(nèi)中心處的速度值、溫度值和壓強(qiáng)值較兩側(cè)區(qū)域高。熔噴纖維位于xz平面流場(chǎng)中心區(qū)域內(nèi)時(shí)，有利于其細(xì)化。

圖3 xy面上的速度、溫度和壓強(qiáng)分布(z=1 mm)Fig.3 Velocity(a), temperature(b) and pressure(c) distribution on xy plane (z=1 mm)

圖4 xy面上的速度、溫度和壓強(qiáng)分布(z=5 mm)Fig.4 Velocity(a), temperature(b) and pressure(c) distribution on xy plane (z=5 mm)

圖5 xy面上的速度、溫度和壓強(qiáng)分布(z=30 mm)Fig.5 Velocity(a), temperature(b) and pressure(c) distribution on xy plane (z=30 mm)

當(dāng)z為1 mm時(shí)，從圖中可以看出，平面上的溫度和壓強(qiáng)呈單峰狀，而平面上速度有2個(gè)峰值，此時(shí) 2股射流還未融合，保持各自流動(dòng)的狀態(tài)；隨著x值的增大，平面上的速度、溫度和壓強(qiáng)變化不顯著。

隨著z值的增大(5 mm≤z≤30 mm)，xy平面上的速度、溫度和壓強(qiáng)都只有1個(gè)峰值且逐漸平緩。表明2股射流已融合成1股射流，隨著噴射距離增加，融合后的射流向四周擴(kuò)散，中心處的射流逐漸帶動(dòng)遠(yuǎn)處的氣體向下運(yùn)動(dòng)，平面上的速度、溫度和壓強(qiáng)隨z值增大逐漸降低。

在流場(chǎng)的中心區(qū)域，不同xy平面上的速度、溫度、壓強(qiáng)隨著x值的增加基本沒(méi)有變化。而在遠(yuǎn)離流場(chǎng)中心的區(qū)域，流場(chǎng)中的速度、溫度和壓強(qiáng)隨著x值的增大而有所降低。

當(dāng)z值進(jìn)一步增大時(shí)(z=50 mm)，xy平面上的速度、溫度和壓強(qiáng)峰值進(jìn)一步降低。xy平面上的速度和溫度隨x值的增大基本沒(méi)有改變，而此時(shí)平面上的壓強(qiáng)峰值隨著x軸正向略有增大。

圖3～6表明：噴氣孔端面(圖2中的DCC1D1平面)對(duì)模頭下方中心區(qū)域流場(chǎng)中的速度、溫度和壓強(qiáng)影響較?。欢鴮?duì)噴氣孔端面下面附近的流場(chǎng)作用明顯。由于工廠中實(shí)際用到的雙槽形熔噴模頭噴氣孔的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于本文數(shù)值計(jì)算用到的模頭的長(zhǎng)度，噴氣孔端面對(duì)流場(chǎng)中心區(qū)可忽略不計(jì)，模頭下面的大部分流場(chǎng)區(qū)域具有二維流場(chǎng)特征。

3.2 紡絲線上的速度、溫度和壓力分布

雙槽形熔噴模頭的噴絲孔按照一定的間距分布在x軸線上，其軸線與z軸平行(或重合)。這些分布在xz平面上的軸線又被稱為紡絲線。在熔噴非織造成品的實(shí)際生產(chǎn)中，熔噴纖維的運(yùn)動(dòng)路徑主要在紡絲線附近[11]。本文假定噴絲孔圓心以1 mm的間距分布在位于點(diǎn)(0，0，0)到點(diǎn)(10，0，0)的區(qū)間內(nèi)，來(lái)考察雙槽形熔噴模頭中不同噴絲孔對(duì)應(yīng)紡絲線上的速度、溫度和壓強(qiáng)差異。

圖7示出流場(chǎng)中不同紡絲線上的速度分布?？梢钥闯?，紡絲線上的速度先迅速增大，在靠近模頭的區(qū)域達(dá)到一個(gè)極值后速度開(kāi)始逐漸減小。對(duì)比不同位置處紡絲線上的速度可以發(fā)現(xiàn)：流場(chǎng)中心處紡絲線上的速度最高；當(dāng)遠(yuǎn)離流場(chǎng)中心后，紡絲線上的速度逐漸降低，位于氣槽端面處紡絲線上的氣流速度最低。靠近流場(chǎng)中心位置處幾條紡絲線上的速度相差不大；而x值的進(jìn)一步增大，紡絲線上氣流速度值與中心處紡絲線上速度值的差異性增大。這說(shuō)明氣槽端面對(duì)紡絲線上的速度影響很大，對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的速度分布也有一定的影響。

圖6 xy面上的速度、溫度和壓強(qiáng)分布(z=50 mm)Fig.6 Velocity (a), temperature (b) and pressure(c) distribution on xy plane (z=50 mm)

注：x=0、3、5、9和10 mm分別對(duì)應(yīng)紡絲線上點(diǎn)(0，0，0)、(3，0，0)、(5，0，0)、(9，0，0)和點(diǎn)(10，0，0)，下同。圖7 不同紡絲線上的速度分布Fig.7 Velocity distribution on different spinning lines

圖8示出熔噴三維流場(chǎng)中不同紡絲線上的溫度分布?？梢钥闯?，溫度衰減的速度很快，氣槽端面對(duì)不同位置處的紡絲線上的溫度影響也很大。當(dāng)遠(yuǎn)離流場(chǎng)中心處時(shí)，紡絲線上的溫度逐漸降低；端面處紡絲線上的溫度最低，且與中心位置處紡絲線上的溫度差值最大。

圖8 不同紡絲線上的溫度分布Fig.8 Temperature distribution on different spinning lines

較高的氣流速度和溫度有利于熔噴纖維的細(xì)化[11]，因此，流場(chǎng)中心區(qū)域內(nèi)的氣流可使噴絲孔擠出的聚合物熔體細(xì)流得到更充分的牽伸。為制備得到直徑較小的纖維，噴絲孔應(yīng)置于流場(chǎng)中心區(qū)域，遠(yuǎn)離噴氣孔的2個(gè)端面。

圖9示出三維氣流場(chǎng)中靜壓在不同紡絲線上的分布。

圖9 不同紡絲線上的壓強(qiáng)分布Fig.9 Pressure distribution on different spinning lines

對(duì)比圖7和圖9，紡絲線上靜壓的變化規(guī)律與氣流速度的變化規(guī)律相似，均呈先急劇增大后逐漸減小。但與速度變化規(guī)律不同的是，壓力極值點(diǎn)的位置要早于速度極值點(diǎn)的位置。從圖9可以看出，端面處紡絲線上的靜壓最小，其余的紡絲線上的靜壓值基本一致。這說(shuō)明氣槽端面對(duì)紡絲線上的靜壓有一定的影響，但與對(duì)紡絲線上速度和溫度的作用相比，效果沒(méi)那么顯著。

另外，熔噴流場(chǎng)中不同位置處紡絲線上速度、溫度和壓強(qiáng)分布的差異，易使不同位置處的聚合物熔體受到不同的氣流作用力，發(fā)生不同的形變。氣槽端面的影響不僅使紡制的熔噴纖維呈現(xiàn)不同的細(xì)度和性能等，而且影響纖維在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)路徑，對(duì)最終的纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)有一定影響。

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用Fluent軟件對(duì)雙槽形熔噴模頭的三維噴射氣流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并對(duì)流場(chǎng)中的速度、溫度和靜壓等進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

1)在三維熔噴氣流場(chǎng)中，中心區(qū)域內(nèi)的速度值、溫度值和靜壓值較大。

2)用數(shù)值模擬的方法可以證明：當(dāng)雙槽形熔噴模頭的噴氣孔長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，遠(yuǎn)離氣槽端面區(qū)域內(nèi)的非等溫三維噴射氣流場(chǎng)可簡(jiǎn)化為二維流場(chǎng)。

3)噴氣孔的端面對(duì)不同位置處紡絲線上的溫度、速度和壓強(qiáng)分布有一定的影響。隨著遠(yuǎn)離流場(chǎng)中心，紡絲線上的速度和溫度開(kāi)始下降，而靜壓值變化不是很顯著；與流場(chǎng)中心附近位置的紡絲線相比，噴氣孔端面處的紡絲線上的溫度、速度和靜壓小得多，因此，雙槽形的紡絲線上的速度、溫度和壓強(qiáng)分布特點(diǎn)，易使紡制的纖維直徑和纖維性能等存在差異性。

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