熔噴雙槽形噴嘴內(nèi)部氣流通道氣體流場初探

邱志通，陳 廷

(蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

熔噴法是加工制備超細纖維非織造布的方法之一，屬于聚合物擠壓成網(wǎng)法的一種[1]。熔噴法制備的非織造布廣泛應(yīng)用于隔音、防水、吸附、阻菌等領(lǐng)域。

熔噴噴嘴是熔噴設(shè)備中最重要的部分之一，國內(nèi)外許多學(xué)者致力于熔噴噴嘴及其氣體流場的研究，以達到減小纖維直徑的目的。Shambaugh等人[2-5]對熔噴雙槽形噴嘴的氣體流場進行數(shù)值模擬和實驗驗證，得到了氣體流場的速度和溫度分布情況，認為噴嘴外部氣體噴射流場可以分為三個區(qū)域，并總結(jié)出每個區(qū)域的特點。在此基礎(chǔ)上，陳廷等人[6]、許川[7]以及辛三法等人[8]對熔噴雙槽形噴嘴氣體流場進行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：氣槽口寬度、氣槽口夾角、頭端寬度以及縮進量等結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴絲孔軸線上的氣體速度和溫度影響較大。Manuel Wieland等人[9]對改進的數(shù)學(xué)模型進行數(shù)值計算后發(fā)現(xiàn)湍流對空氣射流的衰減有顯著影響。劉博文等人[10]采用三維建模對熔噴噴嘴氣體流場進行模擬并進行實際測量，總結(jié)出可以將熔噴氣體流場簡化為二維流場進行模擬，后續(xù)研究采用二維模型模擬熔噴氣體流場，用多目標遺傳算法與氣體流場模擬結(jié)果結(jié)合對熔噴噴嘴進行改進。辛三法等人[11]研究了熔噴雙槽形噴嘴氣槽外沿長度對空氣流場特征影響。研究發(fā)現(xiàn)隨著附件長度的增加，空氣的速度峰值和壓力峰值會變小，但氣體的溫度衰減情況得到改善。姬長春等人[12]對熔噴流場進行了三維模擬并利用熱線風(fēng)速儀進行測量，結(jié)果表明流場的分布特性會造成不同位置的纖維承受不一致的氣體拉伸力，紡絲中線的氣體速度明顯高于周圍，更有利于聚合物熔體的拉伸。氣體瞬時速度的劇烈波動容易導(dǎo)致聚合物熔體在靠近噴嘴的區(qū)域發(fā)生猛烈抖動。

上述關(guān)于熔噴噴嘴工藝的研究豐富了熔噴非織造纖維進一步細化的理論基礎(chǔ)，但前人的研究普遍針對熔噴雙槽形噴嘴外部流場，未涉及噴嘴內(nèi)部氣流通道氣體流場。本文將采用數(shù)值計算方法，研究基于噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熔噴氣體流場中氣體速度和溫度的分布規(guī)律。

1 氣體流場的幾何模型

本文所模擬的熔噴流場是左右對稱的，實際上只需要對一側(cè)的流場區(qū)域進行數(shù)值計算即可，尺寸如圖1所示。熱空氣從兩邊入口進入，在噴嘴內(nèi)部依次經(jīng)過圓形氣腔、通氣孔、梯形氣腔、氣槽，通過氣槽后噴出到外部流場。噴嘴氣槽的角度為60°，寬度為0.6 mm，頭端為聚合物熔體的噴絲孔，寬度為0.5 mm。設(shè)置外部流場豎直方向長度150 mm，水平方向?qū)挾?0 mm為模擬區(qū)域。

(a)實際模擬區(qū)域示意圖

2 數(shù)值計算

2.1 網(wǎng)格劃分

本文利用Gambit對數(shù)值計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，采用三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對圓形氣腔進行劃分，其余區(qū)域用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分。本文所模擬的熔噴雙槽形噴嘴內(nèi)部氣流通道結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，壁面存在邊界層，故對噴嘴內(nèi)近壁面區(qū)域的網(wǎng)格進行加密處理，使數(shù)值計算結(jié)果更加接近實際情況。

2.2 邊界條件與參數(shù)設(shè)定

使用Fluent對流場進行數(shù)值計算，采用隱式基于密度的求解器，選擇RNGk-ε湍流模型，經(jīng)驗常數(shù)C1ε和C2ε分別設(shè)置為1.44和1.92。流動設(shè)為定常流動，勾選能量方程，操作環(huán)境設(shè)置為0 kPa。將CD設(shè)為對稱軸。將AB設(shè)置為壓力入口，壓力為252.886 kPa，溫度為583 K，湍流強度為10%，水力直徑為5 mm。將DE、EF設(shè)置為壓力出口，壓力為101.325 kPa，溫度為300 K，回流湍流強度為10%。其余設(shè)定為無滑移壁面邊界，材料為鋼，溫度為500 K。庫朗數(shù)設(shè)為0.3，計算收斂殘差標準設(shè)為1×10-4。

3 結(jié)果與分析

從圖2可以看出，熱空氣從入口進入圓形氣腔后速度變化不明顯，進入通氣孔后氣體速度逐漸增大，并在進入梯形氣腔后形成類似U型的軌跡，在靠近氣槽附近時，由于通道突然變窄，氣流速度急劇增加，進入氣槽后，速度持續(xù)增加達到音速。氣體噴射出氣槽后在噴絲孔軸線下方碰撞混合，氣流速度出現(xiàn)先增大后減小，再增大再減小的波動形式，圖中合并后的氣流中一個個顏色較淺的等間距圓環(huán)叫馬赫盤，是當(dāng)氣體以超過音速的速度和低于外部大氣的壓強離開噴嘴時發(fā)生的一種氣體現(xiàn)象。根據(jù)前人的研究[13]，射流在聚合物熔體主拉伸區(qū)的速度出現(xiàn)波動的形式可以為纖維的拉伸變細提供類似脈動的空氣流場，能促進聚合物熔體的拉伸，從而減小纖維的直徑。波動結(jié)束后，射流繼續(xù)沿y軸向下方運動，隨著距離的增加，氣體速度逐漸減小變成亞音速并趨于平穩(wěn)，逐步向周圍擴散，最后消散于周圍環(huán)境中。

(a)噴嘴內(nèi)部氣流通道氣體速度分布云圖

氣體流場速度分布矢量圖如圖3所示。從圖中可以看出氣體進入圓形氣腔后速度逐漸增大并往通氣孔方向運動，圓形氣腔中顏色較白的幾處為氣體流動方向和通道寬度發(fā)生變化時產(chǎn)生的回流區(qū)。氣體進入梯形氣腔后往氣槽方向運動并在U型運動軌跡下方形成一個較大的回流區(qū)。兩股氣流從氣槽噴出后在交匯上方區(qū)域形成一個很小的回流區(qū)，回流的存在不利于聚合物的拉伸，同時也影響了兩股射流在匯合前的速度。

(a)噴嘴內(nèi)部圓形氣腔和通氣孔速度矢量圖

氣體流場的溫度分布云圖如圖4所示。從圖中可以看出熱空氣進入噴嘴內(nèi)部氣流通道后總體溫度變化不大，圓形氣腔和梯形氣腔中溫度較低，是由于該區(qū)域不在熱空氣主要運動路徑上，所以氣流速度較小并形成回流區(qū)，又因為靠近壁面，與墻體進行熱交換導(dǎo)致溫度降低。當(dāng)氣體進入氣槽后，由于速度逐漸增大，導(dǎo)致溫度降低，這樣的變化符合能量守恒定律。氣體在氣槽中的溫度逐漸降低直至噴出熔噴噴嘴，兩股射流交匯上方的回流區(qū)由于速度較低所以溫度較高。噴嘴口兩側(cè)與噴嘴系統(tǒng)接觸的外圍氣流，由于溫度比壁面低，兩者進行熱交換，使壁面附近的氣流溫度升高。兩股射流噴出噴嘴交匯后沿著軸線方向，也產(chǎn)生了波動的情況，與流場速度分布云圖中產(chǎn)生波動的位置基本一致。

(a)噴嘴內(nèi)部氣流通道氣體溫度分布云圖

4 結(jié)論

本文通過對噴嘴內(nèi)部、外部的熔噴氣體流場進行數(shù)值計算，得到噴嘴內(nèi)部、外部氣體流場中氣體速度和溫度的分布情況。結(jié)果表明，在進入氣槽前，熔噴噴嘴內(nèi)部氣流通道氣體流場的氣體速度和溫度變化較小，內(nèi)部通道內(nèi)存在較多回流區(qū)。氣體進入氣槽后，速度急劇增加，而溫度急劇下降，射流噴出噴嘴后，兩股射流迅速匯合成一股繼續(xù)往下方運動，流動情況具有自由散射特性。