高溫射流沖擊苧麻開纖脫膠的壓力和溫度場數(shù)值模擬與試驗(yàn)

邵運(yùn)果，蘇工兵，鄒舒暢，孟秀萍

（武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430073）

高溫射流沖擊苧麻開纖脫膠的壓力和溫度場數(shù)值模擬與試驗(yàn)

邵運(yùn)果，蘇工兵※，鄒舒暢，孟秀萍

（武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430073）

為了研究苧麻纖維殘留膠質(zhì)的射流沖擊分纖脫膠機(jī)理，設(shè)計(jì)試制了高溫射流沖洗試驗(yàn)裝置，開展了單噴嘴和雙噴嘴開纖脫膠試驗(yàn)，數(shù)值模擬了單噴嘴和雙噴嘴射流沖擊壁面的表面溫度場、壓力場分布及有效的作用區(qū)域。結(jié)果表明，當(dāng)噴嘴直徑為2.0 mm，進(jìn)口溫度為373 K時(shí)，單噴嘴射流沖擊試驗(yàn)的較佳組合參數(shù)噴距為30 mm，進(jìn)口壓強(qiáng)為1.2 MPa，時(shí)間為16 min，測得殘膠率為3.1%；以單噴嘴相同設(shè)定參數(shù)模擬了雙噴嘴較佳噴嘴間距為30 mm，沖擊壓力范圍為0.2～0.3 MPa，溫度范圍為320～334 K，該試驗(yàn)測試的噴嘴間距與數(shù)值模擬相符合，測試殘膠率為3.1%，單纖維斷裂強(qiáng)力為51.71 cN。該技術(shù)為開發(fā)新型苧麻纖維分纖洗脫設(shè)備提供技術(shù)參數(shù)。

纖維；溫度；壓力；射流沖擊；苧麻；數(shù)值模擬；開纖；脫膠

邵運(yùn)果，蘇工兵，鄒舒暢，孟秀萍. 高溫射流沖擊苧麻開纖脫膠的壓力和溫度場數(shù)值模擬與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(10)：302－309. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.040 http://www.tcsae.org

Shao Yunguo, Su Gongbing, Zou Shuchang, Meng Xiuping. Numerical simulation and experiment of pressure and temperature field for jet impinging ramie fiber separation and degumming[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 302－309. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.040 http://www.tcsae.org

0 引 言

近年來，國內(nèi)外在麻類纖維制備方面的技術(shù)研究主要側(cè)重于以生物脫膠或其他脫膠工藝取代或部分取代傳統(tǒng)化學(xué)脫膠的煮練工序，并已取得重大成就[1-5]。但對煮練后開纖脫膠的整理技術(shù)仍沿用傳統(tǒng)的圓盤式敲麻機(jī)機(jī)械式分纖、漂洗等分段工序，許多研究者開展了相關(guān)的新技術(shù)和設(shè)備的研究。張勇[6]等介紹了一種基于物理機(jī)械力的苧麻脫膠新技術(shù)，該技術(shù)是對經(jīng)低浴比浸漬預(yù)處理的苧麻軟濕麻施以物理方法為主的機(jī)械力開纖脫膠和整理；陳朝武[7]等介紹了旋錘式苧麻水麻開纖機(jī)技術(shù)，該技術(shù)是通過利用旋錘的連續(xù)錘打，在旋錘和輥輪的拉力和牽伸力共同作用下，對苧麻進(jìn)行開纖和去除膠質(zhì)雜物。機(jī)械式分纖存在纖維噪聲大、麻束凌亂、均勻性差、麻纖維表面損傷等[8-11]問題。周萬陽[12]等介紹了高壓水射流清洗地鐵隧道壁面的CFD數(shù)值模擬方法，分析了壁面打擊力和徑向動(dòng)壓分布；葉建友[13]等介紹了基于 FLUENT的清洗用扇形噴嘴清洗參數(shù)研究，分析了不同出口直徑扇形噴嘴在不同壓力下的打擊力和動(dòng)壓分布。通過以上研究分析，提出了高溫（373 K）射流水沖擊脫膠后苧麻纖維開纖脫膠的研究，該技術(shù)通過射流水對苧麻纖維的沖擊和清洗作用實(shí)現(xiàn)纖維開纖和將殘留膠質(zhì)洗脫，一次性完成傳統(tǒng)機(jī)械敲擊開纖、漂洗等分段工序的功能。

為了研究苧麻纖維殘留膠質(zhì)的射流沖擊開纖脫膠機(jī)理和效果，設(shè)計(jì)試制了高溫（373K）射流水沖洗苧麻纖維試驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了高溫射流苧麻分纖脫膠試驗(yàn)和數(shù)值模擬。此技術(shù)工藝不僅能將現(xiàn)有分纖洗脫工藝中開纖、漂洗等工序相結(jié)合，也為研制開發(fā)苧麻分纖洗脫設(shè)備提供了新的技術(shù)參數(shù)。

1 高溫（373 K）射流沖擊苧麻開纖脫膠試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 取樣

苧麻原麻采用華苧 4號，試驗(yàn)時(shí)采用整根原麻，原麻的殘膠率按照國標(biāo)GB/T5889-1986測定為28%。

1.1.2 樣本制備

通過采用NaOH濃度為6 g/L，浴比為1:10的堿溶液對原麻常壓(101.325 kPa)堿煮4 h，按照GB/T5889-1986測定了堿煮后的殘膠率平均值為10.8 %。將煮好的整根原麻從端到尾各截取20 cm，質(zhì)量20 g為樣本試樣。

1.2 試驗(yàn)方法

工藝流程：苧麻原麻—常壓堿煮—高溫壓力水沖洗—烘干—精干麻—測試。首先，在該沖洗裝置上以噴距、進(jìn)口壓強(qiáng)和時(shí)間為因素，洗脫后殘膠率為評價(jià)指標(biāo)，開展了單噴嘴射流沖擊苧麻開纖脫膠三因素三水平試驗(yàn)，分析影響射流沖擊苧麻開纖脫膠的主要因素；其次，以單噴嘴射流沖擊試驗(yàn)參數(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用FLUENT軟件模擬單噴嘴不同噴距射流沖擊壁面的麻纖維表面溫度場、壓力場分布以及有效的作用區(qū)域，獲取較佳噴距并與單噴嘴正交試驗(yàn)進(jìn)行了比較分析；同時(shí)以單噴嘴較佳噴距為基礎(chǔ)，模擬雙噴嘴不同噴嘴間距射流沖擊壁面的麻纖維表面溫度場、壓力場分布以及有效的作用區(qū)域，獲取了雙噴嘴間的較佳間距；最后，以殘膠率和纖維斷裂強(qiáng)力為苧麻纖維洗脫后的品質(zhì)評判主要技術(shù)指標(biāo)，確定雙噴嘴間的最佳間距。結(jié)合單噴嘴試驗(yàn)和數(shù)值分析的結(jié)果，在沖洗裝置開展雙噴嘴較佳間距不同噴距試驗(yàn)。從而獲取了雙噴嘴射流水沖擊苧麻纖維的進(jìn)口壓強(qiáng)，噴嘴直徑，進(jìn)口溫度，噴距和噴嘴間距等較佳參數(shù)組合。

1.3 試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

為了研究射流沖擊苧麻開纖脫膠作用的影響因素，以進(jìn)口壓強(qiáng)，噴嘴直徑，進(jìn)口溫度，噴距和噴嘴間距等參數(shù)為可控變量，設(shè)計(jì)試制了高溫（373 K）射流單噴嘴沖擊沖洗裝置。根據(jù)理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)選用噴嘴出口直徑D=2 mm。同時(shí)由于高溫條件下有利于苧麻纖維中半纖維素和木質(zhì)素的化學(xué)鍵水解[14]，選取噴嘴進(jìn)口溫度373 K，以進(jìn)口壓強(qiáng)，噴距，作用時(shí)間為調(diào)節(jié)變量開展了單噴嘴下纖維分纖洗脫正交試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置中選取了型號為20NPD22Z的渦流泵（最大壓力為1.6 MPa），電機(jī)功率為2.2 kW，裝置管道直徑為25 mm和調(diào)壓閥。噴嘴的進(jìn)口壓強(qiáng)通過裝置的調(diào)壓閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，裝置的原理圖如圖1所示。

圖1 沖洗裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of flushing device

1.4 單噴嘴下纖維開纖脫膠試驗(yàn)

為了分析噴距、進(jìn)口壓強(qiáng)和時(shí)間三因素共同作用的最佳組合方案以及主要的影響因素，選擇水溫度為373 K條件下，不考慮因素間的交互作用，設(shè)計(jì)了三因素三水平表如表 1所示；沖洗后的試驗(yàn)樣本殘膠率按照國標(biāo)GB/T5889-1986測定，試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果見表2。

由表2可知，各因素間的最佳組合為A2B3C3，即噴距為30 mm，進(jìn)口壓強(qiáng)為1.2 MPa，時(shí)間為16 min，該條件下進(jìn)行了沖洗試驗(yàn)，測得殘膠率為3.1 %。

通過極差R值可以看出，本試驗(yàn)因素主次關(guān)系為A>B>C，即影響射流沖擊苧麻開纖脫膠的最主要因素為噴距，其次是進(jìn)口壓強(qiáng)、時(shí)間。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Table of factors and levels of orthogonal experiment

表2 正交表與試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal table and test results

通過正交試驗(yàn)分析可知，噴距是射流沖擊苧麻開纖脫膠的主要影響因素，同時(shí)噴距的改變影響著壓強(qiáng)和溫度在苧麻纖維表面的分布。為了揭示不同噴距下高溫射流沖擊對纖維開纖和脫膠的作用機(jī)理，進(jìn)行了單噴嘴不同噴距和雙噴嘴不同噴嘴間距下高溫射流沖擊苧麻纖維開纖脫膠數(shù)值模擬，模擬了單噴嘴在不同噴距射流沖擊壁面的麻纖維表面溫度場、壓力場分布以及有效的作用區(qū)域。

2 高溫射流沖擊苧麻開纖脫膠數(shù)值模擬

根據(jù)高溫單噴嘴射流沖擊苧麻開纖脫膠試驗(yàn)，以最佳進(jìn)口壓強(qiáng)為1.2 MPa、噴嘴出口直徑D=2 mm、噴嘴進(jìn)口溫度為373 K為不變量，采用歐拉多相流模型中的VOF模型、傳熱模型以及RNGk- 模型，運(yùn)用FLUENT軟件建立了單噴嘴和雙噴嘴與沖擊壁面的有限元模型，數(shù)值模擬了單噴嘴不同噴距和雙噴嘴不同噴嘴間距射流沖擊壁面的麻纖維表面溫度場和壓力場分布以及有效的作用區(qū)域。

2.1 單噴嘴下高溫射流沖擊有限元模型建立

通過FLUENT軟件內(nèi)置前處理DM模塊建立單噴嘴與射流垂直沖擊壁面的內(nèi)外部流場的3D模型，包括噴嘴內(nèi)部流體區(qū)域、V型切槽及外部流場區(qū)域；根據(jù)需要設(shè)定噴嘴出口到壁面的區(qū)域高度（噴距），其中沖擊壁面長為100 mm，寬為50 mm；網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格與四面體網(wǎng)格相結(jié)合的方式，噴嘴和V型切槽部位采用四面體網(wǎng)格并進(jìn)行加密處理，外部流場區(qū)域采用六面體網(wǎng)格[15-16]，如圖2所示。

圖2 單噴嘴網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh model of single nozzle

2.2 求解設(shè)置

該數(shù)值模擬主要針對非淹沒射流下噴嘴的流動(dòng)狀態(tài)，噴嘴內(nèi)外部流場涉及到氣液二相流[17-19]和傳熱。

1）在FLUENT軟件計(jì)算模型中選擇歐拉多相流模型中的VOF模型、傳熱模型以及RNGk- 模型。

2）將液相（水）設(shè)置為主相，氣相設(shè)置為次相；入口邊界條件為壓力入口為1.2 MPa，在保證出口液體不汽化的條件下，入口溫度選用373 K，以Y軸負(fù)方向?yàn)榱黧w射入方向；出口邊界條件設(shè)置為壓力出口為0；湍流參數(shù)選擇為湍流強(qiáng)度，其值為按默認(rèn)值設(shè)置和水力直徑，其值為0.002 m。

3）壁面設(shè)置為無滑移標(biāo)準(zhǔn)壁面，將外流場盡頭設(shè)置為沖擊壁面，使流體沖擊該壁面。

4）采用隱式方案求解，并采用求解計(jì)算方式—SIMPLE算法。

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 噴距H的影響

進(jìn)口壓強(qiáng)為1.2 MPa、時(shí)間為16 min、噴嘴出口直徑D=2 mm和噴嘴進(jìn)口溫度為373 K為不變量，分別選取噴距H=20、30、40和50 mm數(shù)值模擬了射流垂直方向和沖擊壁面上的溫度場和壓力場的分布。

1）不同噴距下垂直方向的溫度場和壓力場分布

從數(shù)值模擬的結(jié)果中提取了溫度場和壓力場沿垂直方向的分布云圖，如圖3所示。

由圖3a～d可知，當(dāng)噴嘴出口的溫度均為373 K時(shí)，隨著噴距的增加，溫度沿垂直方向逐漸降低，噴嘴出口到?jīng)_擊壁面中心位置處的溫差逐漸增大。其中噴距為20 mm和30 mm溫差比噴距為40 mm和50 mm變化較小。隨著噴距增加，在射流運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生扇面混摻擴(kuò)散現(xiàn)象較嚴(yán)重，與空氣熱對流交換增大，導(dǎo)致溫度降低。

圖3 沖擊流沿垂直方向的溫度場和壓力場分布云圖Fig.3 Cloud charts of temperature and pressure distribution along vertical direction of impact flow

由圖3e～h可知，隨著噴距的增加，壓力沿垂直方向逐漸降低。噴距為20和30 mm時(shí)，到達(dá)沖擊壁面的中心位置處壓力較高，而噴距為40和50 mm時(shí)，沖擊壁面的中心位置處壓力較小。在射流運(yùn)動(dòng)過程中，噴距的增大，發(fā)生能量傳遞、動(dòng)量輸送和混摻擴(kuò)散等現(xiàn)象，動(dòng)能逐漸降低，速度逐漸減小，射流在壁面的擴(kuò)散程度增大，沖擊力損失變大[20]，壓力變小。

2）不同噴距下溫度和壓力在沖擊壁面上區(qū)域分布

從數(shù)值模擬的結(jié)果提取了溫度和壓力在沖擊壁面上的區(qū)域分布云圖，如圖4所示。

由圖4a～d可知，在不同噴距下沖擊壁面溫度場均從最高溫度中心位置向區(qū)域四周擴(kuò)散，溫度逐漸降低。隨著噴距的增加，中心位置溫度降低，沖擊壁面區(qū)域變大。噴距為20和30 mm時(shí)，溫度分布在沖擊壁面區(qū)域比噴距為40和50 mm要小，但中心位置向沖擊壁面區(qū)域邊界的溫度變化范圍較小。主要由于液體沿V型槽開口方呈現(xiàn)為一個(gè)扇形，當(dāng)扇形液面到達(dá)壁面時(shí)，液面發(fā)生卷吸，能量消耗，溫度場沿沖擊壁面區(qū)域方向的鋪展時(shí)，溫度逐漸降低。

由圖4e～h可知，在不同噴距下沖擊壁面壓力場均從最高壓力中心位置向區(qū)域四周擴(kuò)散，壓力逐漸降低。噴距較小時(shí)覆蓋區(qū)域較大，區(qū)域內(nèi)壓力變化較明顯；噴距較大時(shí)，壓力在沖擊壁面上覆蓋范圍較小。其中噴距為20 mm和30 mm時(shí)，覆蓋區(qū)域內(nèi)壓力變化梯度比噴距為40 mm和50 mm時(shí)要大。扇形液面到達(dá)壁面時(shí)，壓力會(huì)沿扇形液面的垂直方向出現(xiàn)壁面切應(yīng)力，向兩邊擴(kuò)散，同時(shí)由于液面會(huì)發(fā)生水楔的沖蝕卷吸[21-22]等現(xiàn)象，導(dǎo)致壓力降低。

圖4 沖擊壁面的溫度場和壓力場分布云圖Fig. 4 Cloud charts of temperature and pressure distribution of impact wall

從上述數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，隨著噴距增大，溫度和壓力在垂直方向上逐漸降低。在沖擊壁面噴距較小時(shí)，溫度分布區(qū)域比噴距較大要小，但中心位置向沖擊壁面區(qū)域邊界的溫度梯度要高。沖擊壁面區(qū)域噴距小的壓力梯度大于噴距大的。隨著噴距繼續(xù)增大，射流未達(dá)到壁面區(qū)域，壓力變?yōu)?0但有溫度分布。這是由于熱量在射流沖擊速度作用下被傳遞到?jīng)_擊壁面區(qū)域。為了避免壁面射流區(qū)[23]由于過大的沖擊流在壁面產(chǎn)生切速度使苧麻纖維向四周擴(kuò)散，導(dǎo)致苧麻纖維壓力分布不均勻以及水楔的沖蝕卷吸作用不能更好地利用。根據(jù)單噴嘴正交試驗(yàn)以及數(shù)值模擬結(jié)果可得，當(dāng)進(jìn)口壓強(qiáng)為1.2 MPa、噴嘴出口直徑D=2 mm、噴嘴進(jìn)口溫度為373 K，噴距為30 mm時(shí)，數(shù)值模擬作用于苧麻纖維表面的沖擊壓力范圍為0.16～0.3 MPa，此為高溫射流沖擊苧麻開纖脫膠的較佳有效噴距。

2.4 雙噴嘴下高溫射流沖擊開纖脫膠數(shù)值模擬

為了研究多噴嘴下高溫射流沖擊開纖脫膠的機(jī)理，以單噴嘴下高溫射流沖擊試驗(yàn)和數(shù)值模擬的參數(shù)為依據(jù)，選擇雙噴嘴數(shù)值模擬了不同噴嘴間距下的沖擊壁面上的溫度場和壓力場的分布和有效作用區(qū)域，以期獲得最佳噴嘴間距。

當(dāng)噴嘴直徑和額定流量不變時(shí)，增加噴嘴數(shù)目，噴嘴的出口壓強(qiáng)變化不大，因此以噴嘴進(jìn)口壓強(qiáng)1.2 MPa，噴嘴出口直徑D=2.0 mm，進(jìn)口溫度為373 K和噴距H=30 mm（噴嘴出口到壁面的區(qū)域高度）等參數(shù)為不變量，分別選取兩噴嘴間距為S=20 mm、30 mm和40 mm，其中沖擊壁面寬為50 mm，長為120 mm，利用FLUENT軟件內(nèi)置前處理 DM模塊建立雙噴嘴和射流垂直沖擊壁面的內(nèi)外部流場的3D模型。網(wǎng)格劃分方式同單噴嘴數(shù)值模擬相似，求解設(shè)置同單噴嘴數(shù)值模擬相似，如圖 5所示，模擬結(jié)果分別如圖6所示。

圖5 雙噴嘴網(wǎng)格模型Fig.5 Grid model of double nozzles

圖6 沖擊壁面的壓力和溫度分布云圖Fig.6 Cloud charts of pressure and temperature distribution of impact wall

由圖6a～c可知，當(dāng)兩噴嘴間距為20 mm時(shí)，沖擊壁面的壓力場區(qū)域交疊較多，但覆蓋范圍區(qū)域范圍較??；兩噴嘴間距為30 mm時(shí)，沖擊壁面的壓力場區(qū)域交疊較少，覆蓋范圍區(qū)域范圍較大；兩噴嘴間距為40 mm時(shí)，雖然覆蓋范圍區(qū)域更大，但無區(qū)域交疊。

由圖6d～f溫度場的覆蓋范圍可知，出現(xiàn)與壓力分布相似的變化。其中，當(dāng)兩噴嘴間距為30 mm時(shí)，噴嘴垂直于沖擊壁面相交處的溫度為320 K，壓力為0.2 MPa，此時(shí)數(shù)值模擬作用于苧麻纖維表面的沖擊壓力范圍為 0.2～0.3 MPa，溫度范圍為320～334 K。

3 雙噴嘴下高溫射流沖擊苧麻纖維開纖脫膠試驗(yàn)

從雙噴嘴不同噴距間的數(shù)值模擬結(jié)果，獲取了較佳雙噴嘴間距S=30 mm；而從數(shù)值模擬和單噴嘴試驗(yàn)結(jié)果表明，噴距是影響射流沖擊苧麻開纖脫膠的主要因素，因此，開展了較佳雙噴嘴下不同噴距射流沖洗苧麻開纖脫膠試驗(yàn)。

以單噴嘴試驗(yàn)獲取的進(jìn)口壓強(qiáng)1.2 MPa、噴嘴出口直徑D=2.0 mm和進(jìn)口溫度為373 K等參數(shù)為基準(zhǔn)，以雙噴嘴數(shù)值模擬獲得的最佳雙噴嘴間距S=30 mm為依據(jù)，分別選擇噴距為20、30、40和50 mm以及沖洗時(shí)間為12、14、16、和 18 min，在沖洗裝置中開展多組樣本試驗(yàn)。以殘膠率和纖維斷裂強(qiáng)力作為苧麻纖維洗脫后的品質(zhì)評判主要技術(shù)指標(biāo)，沖洗試驗(yàn)后的樣本按照 GB/T5889-1986測定殘膠率，按照GB/T5886-1986測定單纖維斷裂強(qiáng)力，測試結(jié)果如表3所示。

表3 雙噴嘴下的試驗(yàn)測試結(jié)果Table 3 Test results of double nozzles

由表 3可以看出，相同的沖洗時(shí)間，隨著噴距的增加，試驗(yàn)測試的殘膠率較高；相同的噴距，增加沖洗時(shí)間，試驗(yàn)測試的殘膠率較低。噴距為20 mm和30 mm時(shí)，對應(yīng)時(shí)間段測定的殘膠率低于噴距為40 mm和50 mm時(shí)的殘膠率。但噴距為20 mm時(shí)試驗(yàn)測試的殘膠率略高于噴距30 mm的殘膠率。從數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)觀察可知，主要由于噴距較小時(shí)，沖擊壁面上的中心位置處壓力較大，壓力區(qū)域內(nèi)的有較大的壓力梯度，射流沖擊時(shí)麻纖維容易向四周擴(kuò)散，射流沖擊力作用于麻面的范圍較小，水流沖洗纖維不均勻，致使殘膠率較高。同時(shí)較小的噴距，致使噴射的區(qū)域較小，需安裝更多的噴嘴。而噴距為40 mm和50 mm時(shí)，射流沖擊壁面的壓力場和溫度場分布區(qū)域較小，且沖擊力作用于纖維表面小且不均勻，只是利用了水流沖洗的作用，使黏附在纖維上的膠質(zhì)不能有效分離，殘膠率較高。

由表 3可以看出，當(dāng)噴距H=30 mm、沖洗時(shí)間為16 min，試驗(yàn)結(jié)果測得的殘膠率為3.1 %，單纖維斷裂強(qiáng)力為51.71 cN，效果較明顯，試驗(yàn)后的苧麻開纖脫膠效果如圖7所示。

圖7 沖洗后和烘干后的效果Fig.7 Effect after flushing and drying

圖7可以看出，高溫射流沖洗苧麻纖維表面較均勻，纖維較松散，其中纖維并絲和硬條情況較少；烘干后苧麻纖維色澤和纖維柔軟度較好。其原因?yàn)榻?jīng)過堿煮預(yù)處理后，麻纖維中果膠、木質(zhì)素、半纖維素以及少量的脂臘質(zhì)和灰分等膠雜成分[24-27]大部分被溶解，其中一部分吸附在纖維上，另一部分膠質(zhì)分子水解但沒有完全分離[28]。短時(shí)間內(nèi)溫度射流水沖洗，通過水的沖擊力以及水楔的沖蝕卷吸作用，洗脫掉了吸附在纖維上面的膠質(zhì)成分，同時(shí)在壓力和溫度的共同作用下，高溫沖擊水進(jìn)一步滲透到苧麻纖維內(nèi)部，促使半纖維素等膠質(zhì)成分進(jìn)一步熱降解和產(chǎn)生水合等化反應(yīng)[29-30]，水解了沒有完全從苧麻纖維分離的膠質(zhì)成分，開纖脫膠效果明顯。

4 結(jié) 論

1）單噴嘴下高溫射流沖擊苧麻開纖脫膠正交試驗(yàn)表明，當(dāng)噴嘴直徑為2.0 mm，進(jìn)口溫度為373 K時(shí)，噴距是射流沖擊苧麻開纖脫膠的主要影響因素，得到的較佳組合參數(shù)噴距為 30 mm，進(jìn)口壓強(qiáng)為 1.2 MPa，時(shí)間為16 min，該條件下測得的殘膠率為3.1%。

2）以較佳進(jìn)口壓強(qiáng)為 1.2 MPa、噴嘴出口直徑D=2 mm、噴嘴進(jìn)口溫度為373 K為不變量，數(shù)值模擬了單噴嘴射流沖擊在噴距H=20 mm、30 mm、40 mm和50 mm射流沖擊壁面的麻纖維表面溫度場、壓力場分布以及有效的作用區(qū)域。當(dāng)噴距為30 mm時(shí)，數(shù)值模擬作用于苧麻纖維表面的沖擊壓力范圍為0.16～0.3 MPa。說明噴距H=30 mm是高溫射流沖擊苧麻開纖脫膠的最佳有效噴距。

3）以噴嘴進(jìn)口壓強(qiáng) 1.2 MPa，噴嘴出口直徑D=2.0 mm，進(jìn)口溫度為373 K和噴距H=30 mm等參量不變，數(shù)值模擬了雙噴嘴間距S=20 mm、30 mm和40 mm，射流沖擊壁面的麻纖維表面有效的作用區(qū)域，噴嘴間距較佳值為S=30 mm，此時(shí)數(shù)值模擬作用于苧麻纖維表面的沖擊壓力范圍為0.2～0.3 MPa，溫度范圍為320～334 K。沖擊壁面的壓力場區(qū)域有較好的交疊，覆蓋范圍區(qū)域范圍最大。以雙噴嘴數(shù)值模擬相對應(yīng)的噴嘴間距，進(jìn)行了雙噴嘴射流沖擊試驗(yàn)，從測試結(jié)果可知，噴嘴間距最佳值為30 mm，沖洗時(shí)間為16 min，試驗(yàn)測試苧麻殘膠率為 3.1 %，單纖維斷裂強(qiáng)力為 51.71 cN。表明數(shù)值模擬噴嘴最佳間距與射流沖擊沖洗試驗(yàn)的噴嘴最佳間距相符合。

通過高溫射流沖擊苧麻開纖脫膠數(shù)值模擬和試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)結(jié)果表明，采用高溫射流水沖擊的作用能一次性能完成苧麻脫膠后苧麻纖維開纖脫膠，而在一定壓力范圍內(nèi)射流沖擊水的柔性作用減少了對苧麻纖維的損傷，該技術(shù)工藝為研制苧麻纖維開纖和漂洗等處理技術(shù)設(shè)備提供了新的技術(shù)基礎(chǔ)。

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Numerical simulation and experiment of pressure and temperature field for jet impinging ramie fiber separation and degumming

Shao Yunguo, Su Gongbing※, Zou Shuchang, Meng Xiuping
(School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University,Wuhan 430073, China)

In order to research and develop a new technology of ramie fiber splitting and residual gum removal, ramie fibers treated by alkali scouring with 10.8% residual gum content were selected as the research object. A hydraulic dynamic device was trial-manufactured for investigating the ramie fiber splitting and residual gum removal. According to the trial results, an equipment with a high temperature (373 K) water-jet function was designed and manufactured. Firstly, without consideration of interaction among factors, orthogonal experiments with 3 factors and 3 levels were carried out using the equipment with single nozzle to inspect the influence of jet distance, inlet pressure, and treating time on the residual gum content. The results showed that the optimal combination was 30 mm jet distance, 1.2 MPa inlet pressure, and 16 min treating time, and the jet distance was the primary factor. Under the optimal conditions, residual gum rate was 3.1%. Secondly, under the conditions of the inlet pressure of 1.2 MPa, the outlet diameter of 2.0 mm, and the temperature of 373 K, the distribution of both temperature field and pressure field, and the effective area on ramie fiber surface by the treatment of water-jet impact with single nozzle were simulated using the FLUENT software, with different jet distance of 20, 30, 40 and 50 mm. The numerical simulation results indicated that with 30 mm jet distance, the pressure field on ramie fiber surface was in a range from 0.16 to 0.30 MPa,which was consistent with the outcomes of hydraulic dynamic impact experiment as well as the orthogonal experiments. Thus,it hinted that the jet distance at 30 mm was the most effective condition for the ramie fiber splitting and residual gum removal.Meanwhile, the inlet pressure at 1.2 MPa, the outlet diameter of 2.0 mm, the temperature at 373 K, the jet distance at 30 mm,and the internal space between nozzles ranging from 20, 30 to 40 mm were set to simulate the effective area on ramie fiber surface by the treatment of water-jet impact with double nozzles. The numerical simulation results suggested that the optimal internal space between nozzles was 30 mm, and the pressure field and temperature field on ramie fiber surface were from 0.2 to 0.3 MPa and from 320 to 334 K respectively. Under the optimal conditions, it had a better overlap area and a maximum coverage of pressure field. Eventually, the residual gum content and fiber breaking force were applied to assess the fiber quality after treatment. Based on the single nozzle trial results and the data analyses, jet distance was the most impactful factor.According to the optimal internal space between nozzles of 30 mm, multi tests were carried out with jet distance of 20, 30, 40 and 50 mm and treating time of 12, 14, 16 and 18 min. The results stated that the optimal internal space was 30 mm and the optimal treating time was 16 min, which acquired 3.1% residual gum content and 51.71 cN singe-fiber breaking force.According to the results of numerical simulation and equipment practices, it suggested that the fiber splitting and residual gum removal of the pre-degumming ramie fiber were satisfactorily achieved at one time, without fiber damage ascribed to the flexible property of water within a certain pressure extent. This technology not only can combine the stages of fiber splitting,bleaching, and rinsing in the existing process, but also provides a novel technology for researching and developing equipment for ramie fiber splitting and gum removal.

fiber; temperature; pressure; jet impingement; ramie; numerical simulation; splitting; degumming

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.040

TS122.1

A

1002-6819(2017)-10-0302-08

2016-10-25

2017-04-08

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51375351）

邵運(yùn)果，男，山東菏澤人，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及優(yōu)化仿真方面的研究。武漢 武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，430073，

Email：978327769@qq.com

※通信作者：蘇工兵，男，湖北天門人，教授，主要從事機(jī)械系統(tǒng)仿真與有限元數(shù)值方面的研究。武漢 武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，430073，

Email：sgb6710@163.com