空气加速器结构对熔喷气流场的影响_王玉栋.pdf

doi:10.16865/ki.1000-7555.2022.0216收稿日期：2022-04-29基金项目：国家自然科学基金资助项目(52263002)；广西科技基地和人才专项(桂科AD22080009)；广西科技大学博士基金(21Z47)；河北省重点研发计划(20271202D)；通讯联系人：姬长春，主要从事多相流数值模拟研究，E-mail：chuangchun_；张威，主要从事纺织材料研究，E-mail：高分子材料科学与工程POLYMER MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING第38卷第12期2022年12月Vol.38,No.12Dec.2022熔喷工艺是一种一步法非织造加工技术，可将高聚物切片直接制备成超细纤维网。相比其他非织造工艺，其具有效率高、产量大和流程短等优势。熔喷纤维直径普遍在 14m之间，其细度最小可达几百纳米1。较普通纤维，熔喷纤维的直径小、比表面积大，更具应用潜力和发展前景。熔喷非织造产品被广泛用作隔音材料、医疗卫生材料、保暖材料、吸油材料、家用及工业揩布材料和电池隔膜材料等2,3。如 Fig.1 所示，普通双槽形熔喷模头是制备熔喷纤维的最核心部件，熔喷纤维在其提供的高速射流作用下快速牵伸、细化和成型。模头下方的高速流场决定了熔喷纤维的直径、强度和结晶度等参数4。对熔喷模头下方高速流场的实验测量和数值分析是研究纤维成型机理的基础，国内外众多科研工作者对 其 开 展 了 相 关 研 究。借 助 毕 托 管 等 工 具，Harpham 等5较早地测量了熔喷模头下方的气流场，并对空气速度和温度分布规律进行了总结。杨颖等6和谢胜等7借助更为先进的热线风速仪对模头流场的速度数据进行了采集。Krutka 等8首次应用流体力学计算软件对模头流场进行了数值模拟。同时，他们验证了模拟数据的有效性。借鉴 Krutka等8的数值研究工作，陈廷等9考察了气孔宽度和气孔倾角等对流场速度分布的影响。孙亚峰等10使用 Fluent 软件和单目标遗传算法对熔喷流场进行了优化。熔喷工艺目前存在 2 个主要问题生产能耗高和纤维细度难以细化，而这些与熔喷模头的结构及下方气流场分布密切相关8,1113。模头的纺丝线上牵伸气流的速度及温度快速衰减，不利于聚合物熔体的细化，而且造成熔喷非织造产品的生产能耗过大和生产成本较高。为降低熔喷纤维生产过程中的动能损耗和热能损耗以及减小纤维的细度，本工作设计了带有空气加速器的新型模头，并借助数值计算方法考察了空气加速器结构对熔喷气流场分布的影响。http:/空气加速器结构对熔喷气流场的影响王玉栋1，李彦青1，姬长春1,4，张威2,3(1.广西科技大学 生物与化学工程学院，广西 柳州 545006；2.河北科技大学 纺织服装学院，河北 石家庄 050018；3.河北省纺织服装技术创新中心，河北 石家庄 050018；4.山西能源学院 能源化学与材料工程系，山西 晋中030600)摘要：为降低熔喷纤维的直径，设计了带有空气加速器的新型模头，考察了空气加速器结构对其下方流场的影响。借助Fluent软件对新型模头的气流场进行了数值计算，分析了流场中空气速度和空气温度的分布规律。研究结果表明,空气加速器结构对流场性能有很大的影响。当空气加速器间距减小、空气加速器高度增加、空气加速器倾角减小、空气加速器侧面为内圆弧状时，纺丝线上的空气速度峰值增大、空气温度提高。综合对比，在空气加速器半间距为10mm、空气加速器高度为30 mm、空气加速器倾角为60、空气加速器侧面为内圆弧状的条件下，新型模头下方流场中的气流速度极值最大、气流温度更高。关键词：熔喷模头；空气加速器；数值计算；气流牵伸中图分类号：TS174.1文献标识码：A文章编号：1000-7555（2022）12-0078-07高分子材料科学与工程2022年王玉栋等：空气加速器结构对熔喷气流场的影响第12期Fig.1 Common slot die(a):cross section view;(b):view of the nose piece1数值计算1.1新型模头的设计Fig.1 中的普通熔喷模头在工厂中应用最为广泛，将其记作 Die1。两股热空气从 Die1 中气板与头端之间的气孔中喷射而出，在模头喷丝孔轴线（纺丝线）周围融合为单股高速射流8。融合后的单股射流向周围发生径向扩散，与两侧的空气进行动能和质量交换。在此过程中，纺丝线周围的气流动能和热能不断降低。而聚合物熔体主要在纺丝线四周向下运动，这就造成了熔喷纤维的气流牵伸力减小。Fig.2 New die with air accelerators(a):cross section view;(b):view of the nose piece如 Fig.2 所示，为细化熔喷纤维，本研究工作在Die1 的结构基础上设计了带有空气加速器的新型模头。新型模头的 2 个气板各带有 1 个空气加速器。空气加速器为长方体状物，其侧面可为圆弧面或平面，其余面皆为平面。空气加速器的设计旨在减小融合后的单股高速气流向两侧扩散，达到降低动能损失和热能损失的目的。如 Tab.1 所示，为了研究空气加速器对熔喷模头下方气流场分布的影响，本文设计了 9 个具有不同结构和尺寸的空气加速器。其对应的新型模头分别记作Die2，Die3，Die4，Die5，Die6，Die7，Die8，Die9和 Die10。Die26 的空气加速器结构如 Fig.2 所示，其横截面为长方形，其倾角()为侧面与底面之间的Parameterd/mme/mm/()Die 2102090Die 3202090Die 4302090Die 5101090Die 6103090Die 7102060Die 8102075Die 9102090Die 10102090Tab.1 Parameters of air accelerators夹角，Die26 空气加速器倾角都为 90。空气加速器半间距(d)为侧面与气板交线和喷气孔轴线之间的距离，其数值等于空气加速器 2 个侧面顶端距离的 1/2；空气加速器高度(e)为其底面到气板的距离。在 Die24 中，e 都为 20 mm，d 分别为 10 mm，20mm 和 30 mm。Die5，Die2 和 Die6 具有相同的半间距，e 分别为 10 mm，20 mm 和 30 mm。在 Fig.3 中，Die78 的空气加速器横截面呈梯形，分别为 60和75，其余参数和 Die2 完全相同。如 Fig.4 所示，在Die910 中空气加速器的侧面分别为内圆弧状和外圆弧状，弧面弦长(e)都为 10 mm，弧面弦长与底面夹角()都为 90，喷丝孔轴心线到弧面弦长的半间79高分子材料科学与工程2022年王玉栋等：空气加速器结构对熔喷气流场的影响第12期距都为 10 mm，弧面的半径都为 14.5 mm。Die210和 Die1 的气孔倾角()、气孔宽度(a)及头端宽度(c)完全相同，其尺寸分别为 60，0.65 mm 和 1.28 mm。在 Die210 中，空气加速器与模头气孔沿 y 轴方向的长度完全相同，其尺寸满足两维数值计算的要求8，其余尺寸如Tab.1所示。Fig.3 Diagram of Die 7 and Die 8Fig.4 Diagram of(a)die 9 and(b)die 101.2两维流场计算域由于双槽形模头下方的流场具有二维分布特征8，所以对 Die110 采用二维流场建模。相比三维流场模型，二维流场模型降低了对计算机的性能要求，可在保证计算结果的情况下缩短计算时间。另外，双槽形模头两维流场关于 z 轴对称，计算域只取一半即可。Fig.5为Die1的流场计算域，其坐标系与Fig.1完全相同。原点 O 为头端的中心点处；线段 OE 与 z 轴重合，并与喷丝孔轴心线平行；线段OC与x轴共线，位于气板和头端所在的平面上。Die1 的两维流场计算域取值借鉴了Shambaugh等的工作8，气孔入口AB 到气板的距离为 5 mm；OE 和 CD 的长度均为100 mm；OC 和 ED 的长度均为 30 mm。新型模头计算域的建立均与Die1一致。Fig.5 Computational domain of the flow field1.3网格划分对于 Die110 的计算域，采用“Map”方式生成尺寸为0.1 mm的四边形初始结构网格。在Fluent软件中，采用“Region Adaption”方式对流场进行加密，气孔部分和模头下方沿 x 轴方向 6 mm 及沿 z 轴方向30 mm的区域的网格边长为0.05 mm。1.4参数设置在 Fig.5 中，气 孔 入 口 AB 的 空 气 压 强 为126.65625 kPa、空气温度为 400 K、湍流强度 10%。OE 被设为对称线，可降低计算量。CD 和 DE 处的空气压强、空气温度、湍流尺度和湍流强度分别为101.325 kPa，300 K，10 mm 和 10%。计算域中的其余线段设为无滑移壁面，温度被加热至 500 K。陈挺等9和孙亚峰等11在实验验证中发现采用标准k-模型14计算时，流场中速度的模拟结果与实验数据较为吻合。因此，在数值模拟中湍流模型选用标准k-模型。标准 k-模型中 C1取值 1.24、C2取 2.05，其余参数为默认值10,11。2结果与讨论2.1空气加速器间距对流场的影响熔喷纤维的主要细化过程是在模头下方 15 mm的范围完成的15，因此，本文考察了该范围内纺丝线上的速度分布和温度分布。Fig.6 Velocity distribution of Die 1480高分子材料科学与工程2022年王玉栋等：空气加速器结构对熔喷气流场的影响第12期Fig.7 Velocity vector of Die 2Fig.6 显示的是 Die14 流场纺丝线上平均速度的分布。从中可以看出，与 Die1 相比，在 Die2 流场纺丝线上的速度在大部分区间内具有优势。如Fig.7 所示，扩散的气流受到空气加速器侧面的反弹作用后运动方向发生改变，最终流向流场中心处。这使得新型模头流场纺丝线上的空气速度得到提高。Die34 与 Die1 的空气速度曲线基本完全重合。这说明间距过大不会增加空气牵伸速度。当空气加速器间距增加后，对气流的反弹作用减弱；同时，空气加速器的附壁效应导致流场核心区域内的流向两侧扩散。2 种作用的综合结果是 Die3 和Die4纺丝线上的速度几乎没有增加。Fig.8 Temperature distribution of Die 14Fig.8 为 Die14 流场中的温度曲线。新型模头流场的温度衰减速率较普通模头低，其中 Die2 的温度在5 mm，15 mm内较其它模头高得多。Fig.8 示出，随着空气加速器间距的增加，新型模头纺丝线上的空气温度逐渐降低。当扩散后的气流被反弹后以对流传热的方式将空气加速器上的热能携带至流场中心处。同时，空气加速器可以通过热传导和热辐射 2 种方式向纺丝线上传递能量。因此，新型模头流场中温度衰减速率较普通模头下降。当 2个空气加速器间距增大时，其对射流的反弹作用下降，热传递效果减弱。所以 Die3 和 Die4 纺丝线上的温度逐渐减小。熔喷纤维受到的牵伸作用力与气流速度和纤维运动速度之差的平方成线性关系4。纺丝线的气流速度更高，得到的纤维直径更小。另外，更高的温度可以降低聚合物熔体的黏度和延缓其固化。因此当空气加速器间距减小时，新型模头更有利于制备直径更小的纤维。Fig.9 Velocity distribution of Die 1,Die 5,Die 2 and Die 6526Fig.10 Temperature distribution of Die 1,Die 5,Die 2 and Die 62.2空气加速器高度对流场的影响如 Fig.9 所示，Die6，Die2 和 Die5 的纺丝线上空气速度依次下降；Die1 和 Die5 的流场速度差别很小