多相噴涂制作氈體的實驗與數(shù)值模擬研究

賈禮州 朱立平 余曉 葉文建 張建軍 袁竹林*

1 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

2 中材科技膜材料公司

0 引言

纖維氈作為一種常見的保溫隔熱材料，在使用過程中可減少大量能源消耗[1]。纖維氈的生產(chǎn)過程可以概括為：將纖維漿液倒入底部設(shè)有濾網(wǎng)的成型容器中[2]，漿液中的單絲纖維在濾網(wǎng)表面沉淀，隨著水分的流失，纖維相互纏繞打結(jié)形成氈體[3]。此方法生產(chǎn)氈體效率較低，個體的均勻性差異較大，性能難以保證。

有鑒于此，本文提出一種采用霧化器噴灑纖維漿液到濾網(wǎng)表面制作氈體的方法。該方法可通過控制噴灑量調(diào)節(jié)氈體尺寸，通過控制霧化器位置調(diào)節(jié)噴灑范圍。本文采用實驗方法驗證霧化器噴灑纖維漿液制作氈體方法可行性，采用實驗與模擬結(jié)合的方法探究霧化器高度、霧化角兩個重要參數(shù)對噴灑漿液分布的影響，并通過探究霧化器的移動規(guī)律獲得均勻性良好的氈體。

1 噴漿制氈方法實驗研究

建立實驗裝置，采用實驗方法驗證霧化器噴灑漿液制作氈體方法可行性。在不同實驗參數(shù)下制作氈體，分析霧化器高度，霧化器霧化角對氈體均勻性的影響。

1.1 實驗裝置

本實驗中，漿液霧化方式采用壓力霧化，以避免流道堵塞，增加實驗可操作性。噴漿制氈實驗方案（圖1）為：

1）由空壓機輸出壓縮空氣，提供漿液噴灑所需要的動力，在空壓機出口處設(shè)置壓力計實時監(jiān)控壓力值，并根據(jù)實驗具體需求調(diào)節(jié)壓力供給。

2）將纖維漿液預(yù)置在一封閉性良好的壓力容器中。壓力容器設(shè)置上下兩個接口，上接口與空壓機相連，接收壓縮空氣，下接口與霧化器管道相連，漿液在壓力作用下通過此接口輸送到霧化器。

3）纖維漿液由霧化器噴灑到濾網(wǎng)表面，單絲纖維在濾網(wǎng)表面相互纏繞打結(jié)形成氈體，為增加濾網(wǎng)表面的液、固分離作用，在濾網(wǎng)下方增設(shè)真空抽吸裝置。

圖1 實驗設(shè)計方案

本次實驗中，雖然纖維漿液混合均勻，但由于單絲纖維易相互纏繞打結(jié)，漿液流經(jīng)細(xì)窄通道時容易發(fā)生堵塞。因此選擇一個通徑較大，內(nèi)部流動性好的霧化器非常重要。

旋流霧化器的內(nèi)部兩個S 形葉片可形成較大的流動通道，可最大程度上避免流道堵塞，且具有較高的噴灑均勻性[4]。

1.2 可行性實驗

實驗設(shè)備（圖2）組裝調(diào)試完畢后，準(zhǔn)備實驗材料進行可行性實驗。霧化器位置固定，可行性實驗的參數(shù)為：

1）纖維漿液濃度28%，攪拌至充分均勻；

2）霧化器高度30 cm；

3）霧化壓力0.4MPa；

4）霧化器霧化角90°。

圖2 實驗設(shè)備圖

實驗過程中，空壓機持續(xù)為壓力容器增壓，保持容器內(nèi)部壓力保持0.4 MPa。

實驗過程中，由于濾網(wǎng)位于方形容器底部，容器的四壁限制了漿液的噴灑，噴灑在容器四壁上的纖維漿液流向底部，使氈體四周纖維產(chǎn)生堆積現(xiàn)象。在分析得到的氈體情況時可進行切除。

通過測試，霧化器噴灑漿液方法制作的氈體樣本（圖3）表面光潔平整，上下層面結(jié)構(gòu)連續(xù)性良好，斷面強度符合標(biāo)準(zhǔn)，沒有出現(xiàn)纖維間難以纏繞交掛、難以結(jié)成氈體的現(xiàn)象。驗證了噴漿制氈工藝的可行性。

圖3 霧化器噴漿方法制作的氈體

1.3 實驗研究霧化器高度、霧化角對氈體均勻性影響

霧化器噴灑漿液制作氈體的方法中，霧化器距離濾網(wǎng)的高度，霧化器霧化角兩個參數(shù)（表1）對制作氈體的均勻性有著重要的影響。為探究影響規(guī)律，本實驗選用市面上常用的霧化角為30°，60°，90°的霧化器進行探究。

表1 實驗參數(shù)

此次實驗共制作出五個氈體樣本，測算每個氈體樣本中心線處的厚度分布情況。

霧化角為60°的霧化器在不同高度噴灑得到的氈體厚度分布情況（圖4）：

圖4 霧化器高度實驗的氈體厚度分布

可以看到，旋流霧化器噴灑纖維漿液制作的氈體厚度分布，都有中部區(qū)域較薄，四周區(qū)域較厚的特點。且隨著霧化器高度的增加，氈體的均勻度逐漸降低。

不同霧化角霧化器在30 cm 高度制作的氈體厚度分布情況（圖5）：

圖5 霧化器霧化角實驗的氈體厚度分布

可以看到，隨著霧化器霧化角度的增加，氈體的均勻度逐漸減低。

1.4 實驗結(jié)果分析

根據(jù)噴漿制氈方法的可行性實驗，霧化器高度、霧化角對氈體均勻性影響實驗，可得到以下結(jié)論：

1）采用霧化器噴灑漿液制作氈體的方法可行性的。該方法得到的氈體樣本表面光潔平整，上下層面結(jié)構(gòu)連續(xù)性良好。經(jīng)測試，與現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)方法制作的氈體相比，噴漿制氈方法制作的氈體斷裂強度提高5.2%～6.4%，氈體透氣率提高8%左右。

2）旋流霧化器噴灑漿液制作的氈體，存在中部區(qū)域較薄，四周區(qū)域較厚的均勻性問題。且對于同型號霧化器而言，在其他參數(shù)保持不變時，霧化器高度的越高，得到的氈體越不均勻。霧化器霧化角度的越大，得到的氈體越不均勻。

為解決噴漿制氈工藝氈體不均勻的問題，首先，可進一步探究霧化器高度，霧化角對氈體均勻性影響，用氈體厚度分布方差表征氈體均勻性，得到氈體厚度分布方差與霧化器高度，霧化器霧化角之間的關(guān)系式。其次，探索不同霧化角霧化器在噴漿過程中的移動規(guī)律，使?jié){液交替重復(fù)噴灑氈體不均勻的區(qū)域，制作出均勻性良好的氈體。

單純由實驗過程探索霧化器高度，霧化器霧化角對制作氈體均勻性的影響，以及探究市面常用霧化角霧化器在噴灑過程中合理的移動規(guī)律，所涉及的工作量巨大，且由于實驗誤差的存在，難以做到實驗數(shù)據(jù)精確。因此本文采用實驗和數(shù)值模擬結(jié)合的技術(shù)路線，建立噴漿制氈?jǐn)?shù)值模擬平臺，探索制作均勻氈體方法。

2 噴漿制氈方法數(shù)值模擬研究

利用Fluent 軟件中壓力-旋流霧化器模型進行霧化器噴漿模擬，將霧化后的漿液作為離散型顆粒處理[5]，對旋流霧化器的高度，霧化角對制作氈體均勻性的影響進一步研究。建立霧化器移動噴漿制氈模擬平臺，探究利用霧化器移動制作均勻性良好的氈體。

2.1 噴漿制氈模擬的實驗驗證

根據(jù)實驗中使用的旋流霧化器參數(shù)，設(shè)置壓力-旋流霧化器模型的初始數(shù)據(jù)。建立尺寸為1000 mm×1000 mm×800 mm 的立方體物理模型并劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，設(shè)定立方體底面為濾網(wǎng)表面，立方體四個側(cè)面為容器壁面，霧化器位置在底面中心點的上部。模擬噴灑制作平均厚度為1 cm 的氈體。

首先對壓力-旋流霧化器模型噴灑漿液的分布特性[6]與實際實驗中的漿液分布情況（圖6）進行對比分析，驗證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。模擬霧化角為60°的霧化器在距離濾網(wǎng)高度為30 cm 的噴灑情況（圖7）。

圖6 模擬漿液噴灑情況

圖7 濾網(wǎng)處氈體厚度分布云圖

繪制實驗方法和數(shù)值模擬方法得到的氈體厚度分布曲線（圖8），可以看到兩條曲線走向基本一致，實驗氈體樣本方差為0.210289，數(shù)值模擬氈體樣本方差為0.299261，兩組厚度分布數(shù)據(jù)的相關(guān)性系數(shù)達到0.92651。模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致，數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確，可以進行進一步研究。

圖8 實驗與模擬方法得到的氈體樣本厚度分布對比

2.2 霧化器高度，霧化角對氈體均勻性的影響

探究霧化器高度對噴灑均勻性的影響。由實驗中的結(jié)論得知，霧化角小的霧化器有較高的噴灑均勻性，選用30°霧化角霧化器，在10 cm，20 cm，30 cm，40 cm，50 cm 的高度上進行模擬噴灑。統(tǒng)計濾網(wǎng)處漿液濃度分布情況（圖9）：

圖9 氈體厚度分布曲線

圖10 不同霧化器高度下氈體厚度分布方差和標(biāo)準(zhǔn)差

每條濃度分布曲線的兩個濃度高峰之間的區(qū)域為噴灑有效區(qū)。比較五條漿液濃度分布曲線，霧化器高度越高，有效區(qū)內(nèi)漿液濃度差別越大，均勻度越低，與實驗結(jié)論一致。繼續(xù)對霧化器在高度15 cm、25 cm、35 cm、45 cm 進行噴灑模擬，以標(biāo)準(zhǔn)差和方差表示氈體均勻度（圖10）。

氈體厚度分布方差與霧化器高度之間符合的關(guān)系式可以用式（1）描述

式中：D 為方差；h 為高度，m。

探究霧化器霧化角對噴灑均勻性的影響，對霧化角為30°、45°、60°、75°、90°的霧化器在30 cm 高度下噴灑模擬，得到的不同霧化角下霧化器噴灑的氈體均勻度曲線（圖11）。

圖11 不同霧化角下氈體厚度分布方差和標(biāo)準(zhǔn)差

氈體厚度分布方差與霧化角之間關(guān)系式可用式（2）描述

式中：D 為方差；α 為霧化角，°。

2.3 制作均勻氈體的霧化器移動規(guī)律

為制作出均勻性良好，厚度分布方差小于0.05 的1 cm 厚氈體，可使霧化器移動，漿液交替重復(fù)噴灑不均勻區(qū)域，彌補漿液噴灑的不均勻性。建立霧化器移動噴漿制氈?jǐn)?shù)值模擬平臺，探究霧化角不同的霧化器的制作均勻性良好氈體的移動規(guī)律。

由于霧化后的漿液呈液滴狀，作為離散相分布在空氣中，因此可近似為球形顆粒處理。通過實驗測算霧化器出口的漿液濃度場和速度場，作為液滴初始位置和初始速度設(shè)定依據(jù)，不同時刻的顆粒初始位置是霧化器移動速度的函數(shù)。其次，采用拉格朗日方法計算跟蹤離散霧化液滴。用直接模擬蒙特卡洛（DSMC）方法計算離散液滴相，以一定量的取樣顆粒代替數(shù)量龐大的真實顆粒，通過跟蹤計算每一個取樣顆粒求解離散相霧化顆粒場[7]。當(dāng)顆粒下落到設(shè)定高度時，被認(rèn)為與濾網(wǎng)接觸，顆粒動量衰減到零。顆粒下落結(jié)束后，濾網(wǎng)上劃分的網(wǎng)格可定位每個顆粒的坐標(biāo)，統(tǒng)計各網(wǎng)格中的顆粒數(shù)量及整體噴灑區(qū)域顆粒濃度分布后，得到顆粒在濾網(wǎng)上的分布方差。

顆粒運動主要受重力，曳力的影響。涉及的數(shù)學(xué)模型有：

力平衡方程：

FD(u-uP)為顆粒的單位質(zhì)量曳力，其中：

式中：u 為流體相速度，m/s；up為顆粒速度，m/s；μ 為流體動力粘度，N·s/m2；ρ 為流體密度，kg/m3；ρp為顆粒密度，kg/m3；dp為顆粒直徑，m；Re 為相對雷諾數(shù)；CD為曳力系數(shù)。

液滴在不同時間微元段內(nèi)的位置為：

式中：S 為液滴位置。

霧化器移動噴漿制氈模擬平臺建立完畢后，對市面上常見的霧化角為30°，60°，90°的霧化器在30 cm高度以不同移動速度噴灑漿液顆粒，并統(tǒng)計噴灑區(qū)域的顆粒分布方差（圖12）。

圖12 顆粒分布方差與霧化器移動速度關(guān)系

圖13 不同霧化角的上限速度

經(jīng)分析，噴灑漿液顆粒分布的方差隨著霧化器移動速度的增加而增大，并到達一定值后增長幅度放緩。霧化角為30°，60°，90°的霧化器制作方差小于0.05的氈體，霧化器移動速度要分別小于0.05 m/s，0.02 m/s，0.01 m/s。

由圖13 可以看到，制作厚度分布方差小于0.05的氈體，不同霧化角的霧化器有一定上限移動速度，對更多不同霧化角霧化器進行噴灑模擬。由此得到此上限速度Vmax與霧化角α 之間的關(guān)系為：

3 結(jié)論

本文通過對噴漿制氈工藝的可行性實驗研究，霧化器高度，霧化角對氈體均勻性影響研究以及霧化器移動噴灑制作均勻氈體的研究，獲得以下結(jié)論：

1）霧化器噴灑漿液制作氈體的方法是可行的。制作的氈體表面光潔平整，上下層面結(jié)構(gòu)連續(xù)性良好。

2）霧化器高度對氈體均勻性的影響：對于同類型霧化器來說，其噴嘴高度越高，氈體中心區(qū)相對越薄，不均勻性越顯著，氈體厚度分布方差與30°霧化角霧化器高度之間關(guān)系式：D=-0.0025h4+0.0421h3-0.2272h2+0.6138h+1.3555。其他霧化角霧化器高度與氈體厚度分布方差的關(guān)系，也可按同樣方法求得。

3）霧化器霧化角對氈體均勻性的影響：對于同類型霧化器來說，其霧化角度越大，氈體中心區(qū)域與周圍區(qū)域漿液濃度差越大，不均勻性越顯著，氈體均勻度方差與30 cm 高度噴灑的霧化器的霧化角之間關(guān)系式：D=-0.0018α5+0.04α4-0.2987α3+0.98α2-1.1297α+2.3985。

4）噴漿制氈方法可以制作出均勻性良好的氈體。不同霧化角的霧化器移動速度小于其上限速度時，即可制造方差小于0.05 的1 cm 厚氈體。此上限速度與在高度30 cm 噴灑的霧化器的霧化角之間的關(guān)系為：Vmax=0.000002α3-0.000211α2+0.01072α-0.008。