微滴撞擊織物表面沉積過(guò)程建模研究

肖 淵， 申 松， 張津瑞， 劉金玲， 吳 姍， 楊鵬程

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 陜西 西安 710048)

微滴撞擊織物表面沉積過(guò)程建模研究

肖 淵， 申 松， 張津瑞， 劉金玲， 吳 姍， 楊鵬程

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 陜西 西安 710048)

為明確微滴與織物表面的碰觸、鋪展及滲透機(jī)理，基于最小勢(shì)能原理，得到了紗線(xiàn)的中心線(xiàn)模型，通過(guò)研究纖維在紗線(xiàn)截面內(nèi)的分布規(guī)律以及纖維體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算方法，建立了織物單胞的二維幾何模型.在上述建立的織物模型基礎(chǔ)上，依據(jù)流體體積(volume of fluid， VOF)兩相流模型，建立了單顆微滴撞擊織物表面后沉積變形的模型.利用所建立的模型，進(jìn)行微滴與織物基底的碰撞及滲透過(guò)程仿真研究，并將模擬過(guò)程與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比. 結(jié)果表明，所建模型可實(shí)現(xiàn)對(duì)微滴在織物基底的碰撞及滲透過(guò)程的模擬，整個(gè)過(guò)程與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.該研究方法與結(jié)果為后續(xù)不同工藝參數(shù)下微滴在織物表面沉積過(guò)程的研究奠定了基礎(chǔ).

織物； 建模； 纖維分布； 微滴； 沉積； 碰撞； 滲透

智能紡織品是一種將紡織品與電子信息技術(shù)高度融合的新型紡織品.它是將傳感器、執(zhí)行器、數(shù)據(jù)處理、通信、電源等單元集成到紡織品中，使之具備信息采集、信息識(shí)別、檢測(cè)反饋、積累與響應(yīng)等功能，可以實(shí)現(xiàn)自診斷、自修復(fù)和自適應(yīng)等能力，在軍事、航空、航天、生物醫(yī)學(xué)、體育休閑、娛樂(lè)、醫(yī)療保健等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景[1].如何將電子元件與紡織品有效集成，使其不僅滿(mǎn)足織物功能需求，還能保證紡織品的耐水洗、耐磨損及穿著舒適是智能紡織品研究的焦點(diǎn).將微滴按需噴射3D打印技術(shù)與化學(xué)沉積相結(jié)合，再將金屬鹽和還原劑溶液精確打印在織物表面的指定位置，從而在室溫下還原出金屬微粒，可以實(shí)現(xiàn)微細(xì)導(dǎo)電線(xiàn)路的直接打印成形[2].但在織物表面微滴噴射打印沉積過(guò)程中，因織物表面與一般固體基板不同，具有高粗糙度和多孔等復(fù)雜特征.試驗(yàn)手段只能觀(guān)測(cè)微滴在織物表面的形態(tài)變化，無(wú)法掌握內(nèi)部壓力場(chǎng)變化及微滴在織物截面內(nèi)的滲透過(guò)程.基于此，本文通過(guò)建立微滴與織物基板碰撞及滲透過(guò)程的理論模型，對(duì)微滴與織物基板碰撞、滲透過(guò)程進(jìn)行研究，為后續(xù)打印高質(zhì)量微細(xì)導(dǎo)電線(xiàn)路奠定理論基礎(chǔ).

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微滴在不同基板的沉積過(guò)程進(jìn)行了較為深入的研究.文獻(xiàn)[3-5]采用VOF(volume of fluid)法實(shí)現(xiàn)了金屬熔滴在固體基板沉積和凝固過(guò)程的模擬. Bussmann等[6]建立了液滴與固壁碰撞的三維模型，采用有限差分法在固定網(wǎng)格上求解動(dòng)量和能量守恒方程，以VOF方法跟蹤液滴在自由表面的流動(dòng).李素麗等[7]利用建立的VOF模型對(duì)整個(gè)熔滴沉積流固耦合過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了熔滴滴落及在基板壁面上的鋪展?fàn)顟B(tài).Verleye等[8]針對(duì)無(wú)皺褶織物和平紋織物建立了細(xì)觀(guān)幾何模型，模擬了樹(shù)脂在織物單胞內(nèi)的流動(dòng).Chen等[9]采用FLOTRAN CFD軟件對(duì)織物模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，模擬了樹(shù)脂在平紋織物紗線(xiàn)區(qū)域內(nèi)的流動(dòng).戴福洪等[10]建立了平紋織物的幾何結(jié)構(gòu)模型，采用均勻化方法預(yù)測(cè)了樹(shù)脂在該模型中的滲透率.上述研究主要集中在微滴與固體基板碰撞以及微滴在織物內(nèi)紗線(xiàn)間滲透兩方面.但是針對(duì)微滴在紗線(xiàn)內(nèi)部纖維間滲透過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真及其試驗(yàn)驗(yàn)證的研究較少.本文以平紋織物為研究對(duì)象，在充分考慮紗線(xiàn)內(nèi)部可滲透性基礎(chǔ)上，建立織物的二維幾何模型；采用VOF法建立單顆液滴在織物表面的沉積碰撞、滲透模型，利用所建立的模型對(duì)液滴在織物基板的沉積變形過(guò)程進(jìn)行研究，明確微滴在織物表面的沉積過(guò)程，為后續(xù)織物表面導(dǎo)電線(xiàn)路的精確沉積奠定基礎(chǔ).

1 紗線(xiàn)模型的建立

確定紗線(xiàn)模型是織物建模的基礎(chǔ)，在其建模過(guò)程中，通常依據(jù)紗線(xiàn)截面形態(tài)和中心線(xiàn)的屈曲形態(tài)構(gòu)成紗線(xiàn)的包絡(luò)曲面，來(lái)表示紗線(xiàn)的整體形狀. 紗線(xiàn)模型的建立包括紗線(xiàn)中心線(xiàn)模型、紗線(xiàn)截面模型、纖維分布模型以及纖維體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算方法.

1.1 紗線(xiàn)中心線(xiàn)模型

常見(jiàn)的紗線(xiàn)中心線(xiàn)模型有正弦曲線(xiàn)、貝塞爾曲線(xiàn)、B樣條曲線(xiàn)、自然三次樣條曲線(xiàn)等.本文基于最小勢(shì)能原理求解得到紗線(xiàn)中心線(xiàn)的幾何表達(dá)式，從而得到更接近實(shí)際的紗線(xiàn)中心線(xiàn)模型.平紋織物紗線(xiàn)編織結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中曲線(xiàn)z(x)表示紗線(xiàn)的中心線(xiàn)路徑，T表示織物厚度，S表示相鄰紗線(xiàn)中心線(xiàn)的間隔，h表示紗線(xiàn)厚度，w表示紗線(xiàn)寬度，h0表示紗線(xiàn)卷曲高度.

圖1 平紋織物編織結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Plain fabric weave structure

在彎曲間隔S內(nèi)單根紗線(xiàn)彎曲勢(shì)能為

(1)

式中：W為彎曲勢(shì)能；B為紗線(xiàn)彎曲剛度；括號(hào)內(nèi)式子表示紗線(xiàn)中心線(xiàn)曲率.對(duì)單根卷曲紗線(xiàn)利用最小勢(shì)能原理，可得紗線(xiàn)中心線(xiàn)路徑的表達(dá)式z(x)的近似結(jié)果為

(2)

1.2 紗線(xiàn)截面模型

紗線(xiàn)的橫截面有圓形、橢圓形、跑道形、透鏡形等.由于經(jīng)緯紗在交叉處相互受力而形成類(lèi)似于透鏡形截面.該截面是由兩個(gè)半徑分別為r1和r2的圓交叉而成.由于經(jīng)緯紗在交叉時(shí)有力的作用產(chǎn)生，紗線(xiàn)截面的上部分會(huì)在力的作用下向下壓而發(fā)生變形，使其產(chǎn)生變形距離d，截面其他部分的參數(shù)如半徑r1、r1以及圓心O1、O2縱坐標(biāo)y1、y2可由紗線(xiàn)寬度w、高度h以及變形距離d根據(jù)式(3)～(6)計(jì)算而來(lái).

(3)

(4)

(5)

(6)

透鏡形紗線(xiàn)截面的參數(shù)方程如下：

(7)

(8)

(9)

兩種典型的透鏡形紗線(xiàn)截面如圖2所示，如果紗線(xiàn)變形距離d=0，則兩個(gè)圓的半徑和偏移量相等，這是理想的狀態(tài)下，兩段圓弧成對(duì)稱(chēng)形分布(圖2(a)).實(shí)際上，紗線(xiàn)在編織過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生扭曲變形，圖2(b)更接近真實(shí)的織物紗線(xiàn)截面形狀.

圖2 透鏡形紗線(xiàn)截面Fig.2 Lenticular cross-section of the yarn

1.3 纖維分布模型

單根紗線(xiàn)是由多根纖維以一定的捻度扭曲而成，因纖維在紗線(xiàn)內(nèi)的分布受多種因素影響，為簡(jiǎn)化計(jì)算做如下假設(shè)[11-12]：

(1) 纖維以半徑相等的圓分布于紗線(xiàn)截面內(nèi)；

(2) 纖維在紗線(xiàn)截面內(nèi)按層分布；

(3) 同一層纖維的圓心分布于一條曲線(xiàn)上.

因此，確定纖維圓心的分布曲線(xiàn)，使纖維以一定的間隙分布于紗線(xiàn)截面上是纖維建模的關(guān)鍵. 為獲得纖維圓心的分布曲線(xiàn)，需先確定曲線(xiàn)所在的截面C(t，μ).引入兩個(gè)橫截面A(t)和B(t)(整個(gè)紗線(xiàn)截面)，其關(guān)系如下所示：

C(t，μ)=A(t)+(B(t)-A(t))μ

0≤t≤1 0≤μ≤1

(10)

式中：μ在截面A(t)和B(t)從0到1成線(xiàn)性變化，從而使纖維在層與層之間平穩(wěn)過(guò)渡.圖3為透鏡形紗線(xiàn)截面內(nèi)纖維圓心分布的曲線(xiàn)圖.

圖3 透鏡形截面內(nèi)纖維圓心分布曲線(xiàn)圖Fig.3 Distribution of circle of fiber center in the lenticular cross-section

為了使纖維層與層之間具有更好的連續(xù)性，采用一個(gè)三次方程式來(lái)表示μ與x之間的關(guān)系.

當(dāng)x=0時(shí)

μ=0

(11)

當(dāng)x=L時(shí)，L為纖維層與層之間的距離，則

μ=1

(12)

因此，可得如下方程：

(13)

1.4 纖維體積分?jǐn)?shù)

確定纖維的多少及纖維的間距，對(duì)后續(xù)研究微滴在織物內(nèi)滲透性至關(guān)重要.圖4為紗線(xiàn)截面內(nèi)纖維體積分?jǐn)?shù)示意圖，其中，AF為紗線(xiàn)截面內(nèi)纖維的面積，AY為紗線(xiàn)截面面積.

圖4 紗線(xiàn)截面內(nèi)纖維體積分?jǐn)?shù)示意圖Fig.4 Fiber volume fraction in the yarn cross-section

建模時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量紗線(xiàn)或織物的質(zhì)量m，計(jì)算出紗線(xiàn)或織物總的纖維體積VF，假設(shè)所有纖維的密度ρ相等，則：

(14)

利用式(15)可計(jì)算出紗線(xiàn)中纖維的體積分?jǐn)?shù)φF

(15)

式中：VY為紗線(xiàn)體積.

此種方法得到的是整個(gè)紗線(xiàn)或織物的纖維體積分?jǐn)?shù)，適于紗線(xiàn)橫截面沿著紗線(xiàn)方向不發(fā)生顯著變化的情況. 但是對(duì)于大多數(shù)紗線(xiàn)截面發(fā)生變化的情況，一個(gè)截面內(nèi)纖維的面積AF與紗線(xiàn)截面面積AY的比例更能反映纖維體積分?jǐn)?shù). 假設(shè)纖維是不可壓縮的且纖維面積在紗線(xiàn)截面內(nèi)沿著紗線(xiàn)長(zhǎng)度方向不發(fā)生變化. 因此纖維面積分?jǐn)?shù)ωF為：

(16)

給定紗線(xiàn)的線(xiàn)密度ζ和組成纖維的密度ρ,則：

(17)

2 平紋織物模型的建立

由于織物結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，處于不同編織結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)下的織物幾何結(jié)構(gòu)差距較大，本節(jié)利用文獻(xiàn)[13]給出的滌綸平紋織物建立幾何模型，其實(shí)物照片和詳細(xì)參數(shù)設(shè)置如圖5和表1所示.

圖5 平紋織物實(shí)物圖[13]Fig.5 Plain fabric

表1 Chomarat 150 TB織物參數(shù)[13]

利用表1中參數(shù)，建立織物的二維幾何模型如圖6(a)所示，圖6(b)為實(shí)際織物紗線(xiàn)截面SEM圖[13].

(a) 所建立的織物幾何模型

(b) 紗線(xiàn)截面SEM圖

圖6 織物幾何模型

Fig.6 Fabric geometry model

由圖6可看出一個(gè)單胞由兩根經(jīng)紗和兩根緯紗組成.經(jīng)紗內(nèi)纖維分三層分布，依次有12根、9根、3根共24根纖維組成.而垂直于經(jīng)紗方向的緯紗由三層纖維組成.由紗線(xiàn)截面內(nèi)纖維分布放大圖可以明顯地看出，纖維之間以及纖維層與層之間都有一定的間隙.通過(guò)對(duì)比實(shí)際織物的SEM圖，可以看出建立的幾何模型與真實(shí)織物較一致.

3 織物表面微滴沉積過(guò)程建模

為了研究微滴在織物表面的沉積過(guò)程，本節(jié)采用Fluent 軟件中的VOF兩相流模型建立控制方程，通過(guò)求解單獨(dú)動(dòng)量方程和處理穿過(guò)區(qū)域的每一流體的體積比來(lái)模擬兩種以上不相容流體.該過(guò)程涉及液滴和空氣兩種流體，假設(shè)二者間無(wú)熱傳質(zhì)、非壓縮流體，且黏性系數(shù)、表面張力系數(shù)等都是常數(shù).

3.1 流動(dòng)控制方程組

根據(jù)VOF方法，通過(guò)求解連續(xù)性方程

(18)

式中：v為速度矢量.

用體積分?jǐn)?shù)γ來(lái)追蹤氣液交界面.對(duì)液相流體，γ=0表示單元是空的，γ=1表示單元充滿(mǎn)，0<γ<1表示單元為氣液兩相界面.VOF模型中，動(dòng)量方程為

(19)

ρ=γ1ρ1+(1-γ1)ρ0

(20)

μ=γ1μ1+(1-γ1)μ0

(21)

式中:F為表面張力源項(xiàng)；p為壓力；g為重力矢量；ρ為計(jì)算單元內(nèi)密度；μ為計(jì)算單元內(nèi)動(dòng)力黏度；下標(biāo)0表示氣相，1表示液相.

表面張力源項(xiàng)采用Brackbill提出的連續(xù)表面力(CSF)模型來(lái)求解. 能量方程為

(22)

式中：cp為計(jì)算單元內(nèi)比熱容；T為計(jì)算單元內(nèi)溫度；λ為計(jì)算單元內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù).

對(duì)于流體在紗線(xiàn)內(nèi)部的流動(dòng)，將紗線(xiàn)看作多孔介質(zhì)，采用Brinkman方程描述流體流動(dòng)，如式(23)所示.

(23)

式中：Kyarn為紗線(xiàn)的滲透率張量.

3.2 計(jì)算區(qū)域的確定

由于各部分流體在沉積過(guò)程中始終沿軸向?qū)ΨQ(chēng)分布，為減少計(jì)算時(shí)間，只對(duì)區(qū)域的1/2進(jìn)行求解并擴(kuò)展至整個(gè)區(qū)域. 本文采用二維模擬，計(jì)算區(qū)域?yàn)?38 μm×600 μm，包括流體區(qū)域(A區(qū)液滴和B區(qū)空氣)和多孔區(qū)域(C區(qū)織物)，A和B區(qū)采用四邊形均勻網(wǎng)格劃分，C區(qū)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)為17 146.計(jì)算區(qū)域和邊界條件如圖7所示，設(shè)邊界處的壓強(qiáng)為1.01×105Pa，液滴與壁面間采用無(wú)滑移邊界條件.液滴表面為研究的自由表面，液滴周?chē)鸀榇髿猸h(huán)境，求解時(shí)需考慮重力的影響，且重力加速度方向與液滴下落方向一致.

圖7 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分及邊界條件Fig.7 Grid of calculation area and boundary conditions

3.3 定解條件設(shè)置

由于金屬鹽和還原劑溶液均為水基溶液，其打印沉積過(guò)程與水相似，故本文以水微滴為研究對(duì)象，其物性參數(shù)如表2所示.

表2 水微滴物性參數(shù)

采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，壓力速度的耦合采用PISO算法，壓力求解采用PRESTO！方法，連續(xù)方程和動(dòng)量方程采用二階隱式格式求解，對(duì)時(shí)間一階離散. 計(jì)算單元液相體積分?jǐn)?shù)采用CICSAM方法離散求解，控制方程采用QUICK格式進(jìn)行離散以減少假擴(kuò)散提高精度，時(shí)間步長(zhǎng)為Δt=5×10-7s， Δt內(nèi)迭代次數(shù)為20，殘差小于10-3，滿(mǎn)足迭代收斂要求.

4 模擬結(jié)果及試驗(yàn)驗(yàn)證

微滴在織物表面沉積過(guò)程主要為微滴在織物表面的碰撞以及在織物內(nèi)的滲透過(guò)程. 液體能不能潤(rùn)濕表面進(jìn)而發(fā)生鋪展取決于鋪展系數(shù)SL/SG

SL/SG=σSG-σSL-σL

(24)

式中：σSG，σSL，σL為固-氣界面、固-液界面、液-氣界面的表面能.

當(dāng)SL/SG>0時(shí)，液滴會(huì)完全潤(rùn)濕基質(zhì)并且鋪展為一層薄膜. 當(dāng)微滴沉積在織物表面與其碰撞后首先主要沿徑向鋪展在織物表面，只有很少一部分液體會(huì)滲透到織物內(nèi)部(本文模擬忽略此部分液體)，達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)后，此后微滴繼續(xù)滲透到織物內(nèi)部[14-15].為了對(duì)沉積過(guò)程進(jìn)行更深入細(xì)致的研究，把微滴在織物表面的沉積分為碰撞和滲透兩個(gè)過(guò)程分別進(jìn)行研究[16].

4.1 碰撞過(guò)程

微滴與織物表面的碰撞過(guò)程與在普通固體基板表面的碰撞過(guò)程相似[3]，多孔區(qū)域的邊界條件采用Wall.設(shè)定微滴與基板的接觸角為98°，織物孔隙率為15.8%，滲透率為480.7 D.碰撞過(guò)程試驗(yàn)采用筆者課題組自主開(kāi)發(fā)的氣壓驅(qū)動(dòng)式微滴噴射系統(tǒng)[2]，以機(jī)織平紋布為基板，通過(guò)調(diào)節(jié)控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)微滴按需噴射，利用奧林巴斯i-speeds高速圖像攝影系統(tǒng)對(duì)微滴與織物表面碰撞過(guò)程及滲透過(guò)程進(jìn)行采集，得到微滴碰撞各階段形態(tài)變化模擬結(jié)果與試驗(yàn)照片如圖8所示，其中，上圖為試驗(yàn)照片，下圖為模擬結(jié)果.

圖8 微滴碰撞過(guò)程模擬結(jié)果與試驗(yàn)照片對(duì)比Fig.8 Comparison of simulation results and experimental pictures in the droplet impact process

通過(guò)圖8可看出，微滴與織物表面碰撞過(guò)程中，模擬結(jié)果與試驗(yàn)觀(guān)測(cè)到各個(gè)階段微滴的形態(tài)均吻合較好. 微滴與織物表面的碰撞過(guò)程經(jīng)歷了運(yùn)動(dòng)、射流、回縮階段、隨后振蕩沉積直到平衡. 其射流和鋪展階段在0.9 ms時(shí)間內(nèi)完成，微滴鋪展達(dá)到最大直徑的時(shí)刻為0.9 ms，此時(shí)微滴為類(lèi)餅狀. 隨后進(jìn)入回縮階段，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到2.5 ms時(shí)，微滴第一次達(dá)到最大程度回縮位置. 此后經(jīng)歷鋪展-回縮往復(fù)循環(huán)，直至能量完全消耗，最終約在34.9 ms時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài).

4.2 滲透過(guò)程

滲透過(guò)程多孔區(qū)域的邊界條件采用Porous Jump. 圖9為微滴滲透過(guò)程模擬結(jié)果與試驗(yàn)照片，其中，上圖為試驗(yàn)照片，下圖為模擬結(jié)果.

圖9 微滴滲透過(guò)程模擬結(jié)果與試驗(yàn)照片對(duì)比Fig.9 Comparison of simulation results and experimental pictures in the droplet permeation process

由圖9可以看出，微滴沉積到織物表面后，隨著時(shí)間的延續(xù)其在織物表面的形態(tài)不斷發(fā)生變化，停留于織物表面液體體積在不斷減少，最終完全滲入織物中. 微滴在織物內(nèi)部滲透初期，滲透速度非?？? 為分析微滴滲透速率加快的原因，提取微滴在24 ms時(shí)刻的壓力云圖如圖10所示.

圖10 24 ms時(shí)刻微滴壓力云圖Fig.10 Droplet pressure cloud diagram at 24 ms

由圖10可看出，微滴內(nèi)部壓力分布不均，梯度較大，上部為低壓區(qū)，微滴與織物接觸區(qū)域?yàn)楦邏簠^(qū)，從上向下壓力越來(lái)越大. 這是由于微滴滲入織物內(nèi)會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)力的作用，導(dǎo)致毛細(xì)壓差的產(chǎn)生，從而使液體自發(fā)地在毛細(xì)孔隙中流動(dòng)，開(kāi)始階段毛細(xì)壓差大，織物中的孔隙順暢，液體滲入快，孔隙不斷地被液體所填充，出現(xiàn)快速芯吸現(xiàn)象，這與文獻(xiàn)[17]中的描述相吻合. 隨著壓差的減小，微滴的滲透速率逐漸減小，使得滲透過(guò)程減緩，直至液體完全滲入織物內(nèi)部，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).

由圖8和9的模擬結(jié)果與試驗(yàn)照片對(duì)比可知，微滴與織物表面碰撞、鋪展及滲透直至穩(wěn)定狀態(tài)的整個(gè)過(guò)程中，模擬結(jié)果與試驗(yàn)觀(guān)測(cè)到各個(gè)階段微滴的形態(tài)均吻合較好，且從模擬的結(jié)果可以非常清楚的看到液滴在織物內(nèi)部的滲透過(guò)程，表明模擬結(jié)果符合實(shí)際情況，證明了本文所提出的建模方法可行，為后續(xù)液滴在織物表面沉積過(guò)程的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ).

5 結(jié) 論

(1) 依據(jù)最小勢(shì)能原理建立了織物單胞的幾何模型，將紗線(xiàn)的受力與其幾何形態(tài)聯(lián)系起來(lái)，得到與實(shí)際織物結(jié)構(gòu)相吻合的模型；

(2) 微滴在織物內(nèi)部滲透初期，由于毛細(xì)壓差的作用使其滲透速率加快，出現(xiàn)快速芯吸現(xiàn)象；

(3) 微滴與織物表面碰撞、滲透過(guò)程的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，表明提出的建模方法是合理可行的，為研究微滴的精確沉積奠定了基礎(chǔ).

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(責(zé)任編輯：杜 佳)

Research on the Deposition of Micro-droplet by Modeling Its Impacting Process on the Fabric Surface

XIAOYuan，SHENSong，ZHANGJingrui，LIUJinling，WUShan，YANGPengcheng

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Xi’an Polytechnic University， Xi’an 710048， China)

To clarify the mechanism of droplets impacting the fabric surface and then their spreading and penetration process， a yarn centerline model is obtained based on the principle of minimum potential energy. A two-dimensional geometric model of the unit cell of the fabric is established by studying the distribution of the fibers in the yarn cross-section and the calculation method of the fiber volume fraction. Based on the fabric model built above， a two-phase flow model for a single droplet depositing and then deforming on the fabric surface is developed based on the volume of fluid (VOF) method. Using the established model， the process of the droplet/ fabric substrate collision and penetration have been simulated and investigated. Results from the simulation and experiment are compared. The results show that the model can realize the simulation of the colliding of droplets with fabric substrate and the penetration process. Result of the whole process is in good agreement with the experimental results. The method and results of the research can provide a foundation for the subsequent study on the influence of process parameters on the process of droplet deposition on the fabric surface.

fabric； modeling； fiber distribution； droplet； deposition; collision; penetration

1671-0444 (2017)03-0352-07

2016-09-02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475350)；西安工程大學(xué)學(xué)科建設(shè)經(jīng)費(fèi)資助

肖 淵(1975—)，男，陜西咸陽(yáng)人，副教授，博士，研究方向?yàn)槲⒅圃煜到y(tǒng)與機(jī)電控制技術(shù).Email: xiaoyuanjidian@xpu.edu.cn

TH 16

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