模頭氣流通道形狀對(duì)熔噴流場(chǎng)的影響*

郭東軍 朱志松 樊 輝 肖坤楠 張 森

1. 南通大學(xué)杏林學(xué)院，江蘇 南通 226019；2. 南通大學(xué)工程訓(xùn)練中心，江蘇 南通 226019；3. 南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；4. 泰山科學(xué)技術(shù)研究院，山東 泰安271000

在熔噴非織造工藝中，氣流通道中的氣體射流可將從模頭噴絲孔擠出的熔融聚合物細(xì)絲迅速拉伸，并加工成直徑達(dá)微米級(jí)甚至納米級(jí)的熔噴纖維[1-2]。熔噴纖維制品在醫(yī)療、過(guò)濾、絕緣和保暖等領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用。

模頭是熔噴纖維生產(chǎn)設(shè)備的核心部件，模頭性能的優(yōu)劣直接決定熔噴纖維的細(xì)度、晶度和強(qiáng)度等性能[3]。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)熔噴普通模頭做了大量的研究和改進(jìn)工作，并取得了一定的成果。彭孟娜和Krutka等[4-5]應(yīng)用CFD技術(shù)和實(shí)驗(yàn)裝置研究了Schwarz型熔噴模頭中環(huán)形噴嘴陣列多相射流的氣流場(chǎng)，提高了Schwarz型熔噴模頭氣流場(chǎng)的性能。Xin等[6]通過(guò)數(shù)值模擬研究了雙槽角度對(duì)氣流的影響，發(fā)現(xiàn)靠近模頭的雙槽角度較大時(shí)，流場(chǎng)氣體的流速、壓力和溫度峰值較高，當(dāng)雙槽角度為70°時(shí)可產(chǎn)生較細(xì)的纖維。辛三法等[7]研究了氣槽外沿附件長(zhǎng)度對(duì)流場(chǎng)的影響，結(jié)果表明，隨著氣槽外沿附件長(zhǎng)度的增加，氣流的最大流速和最大壓強(qiáng)減小，最大溫度無(wú)明顯變化。成園玲等[8]和承婷婷等[9]通過(guò)在模頭端面加裝輔助噴嘴，得出輔助噴嘴喉部寬度越小、出口寬度越大、縮擴(kuò)比越好，則氣流的速度越大、速度與溫度的衰減越小的結(jié)論，明確了熔噴模頭形狀對(duì)氣流場(chǎng)和纖維線密度的影響。王玉棟等[10-11]通過(guò)在熔噴模頭端部添加穩(wěn)流器，使氣流在新模頭中的流速提高了6.9%，并降低了靠近模頭區(qū)域氣流的回流速度、溫度衰減率及湍動(dòng)能峰值，纖維運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

熔噴纖維生產(chǎn)設(shè)備中的普通雙槽模頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還存在一些不利因素，這些因素限制了纖維的細(xì)化，能耗較高。目前，氣流通道的氣槽截面均為兩條平行線，在熔噴模頭的研究中，有關(guān)模頭氣流通道結(jié)構(gòu)形狀的研究較少。本文將借助CFD技術(shù)改進(jìn)普通雙槽模頭的氣槽和噴絲板截面的形狀，以期達(dá)到改善熔噴工藝氣流場(chǎng)、進(jìn)一步細(xì)化熔噴纖維、降低能耗的目的。

1 新型熔噴雙槽模頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

普通雙槽模頭(圖1)在熔噴纖維生產(chǎn)設(shè)備中最為常用，其主要由氣槽、噴絲板和氣板組成。普通雙槽模頭的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：氣槽寬度e為0.65 mm，噴絲板頭部寬度f(wàn)為2 mm，狹長(zhǎng)氣槽的高度h為5.00 mm，雙槽模頭角度α為60°。本文在普通雙槽模頭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)了兩種新型雙槽模頭：一是圖2a)所示的氣槽為漸縮式結(jié)構(gòu)的新型雙槽模頭(新模頭1)，漸縮角θ為12°；二是圖2b)所示的同時(shí)帶有漸縮式氣槽和圓弧形噴絲板的雙槽模頭(新模頭2)，其圓弧與噴絲板外壁面相切，圓弧頂點(diǎn)與噴絲板底面所在的平面重合，圓弧半徑r為1.73 mm，圓弧圓心角為120°。

圖1 普通雙槽模頭

圖2 普通雙槽模頭與改進(jìn)設(shè)計(jì)的新雙槽模頭結(jié)構(gòu)示意

2 數(shù)值模擬和計(jì)算

熔噴模頭的三維數(shù)值計(jì)算需要耗費(fèi)大量的運(yùn)算時(shí)間，本文將對(duì)普通雙槽模頭和新雙槽模頭進(jìn)行熔噴射流流場(chǎng)的二維數(shù)值模擬，對(duì)比分析模頭形狀對(duì)模頭中心線及端面上的氣流速度、氣體溫度、靜態(tài)壓強(qiáng)和湍流強(qiáng)度分布的影響。

2.1 計(jì)算域和網(wǎng)格劃分

普通雙槽模頭的二維模型為中心線對(duì)稱圖形，流場(chǎng)的計(jì)算域?yàn)榭偭鲌?chǎng)的一半。在普通雙槽模頭的計(jì)算域(圖3)中，O點(diǎn)為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，位于噴絲孔中心，x軸位于氣板端面上，與x軸垂直的y軸為熔噴纖維的運(yùn)動(dòng)方向。沿y軸方向上的氣槽長(zhǎng)度為5.00 mm，模頭下方的矩形計(jì)算域OG和OE的長(zhǎng)度分別為100.00 mm和20.00 mm。

本研究中的普通雙槽模頭和新雙槽模頭的計(jì)算域比較規(guī)整。首先采用四邊形網(wǎng)格劃分計(jì)算區(qū)域，得到基礎(chǔ)網(wǎng)格；然后對(duì)網(wǎng)格選定區(qū)域進(jìn)行自適應(yīng)加密處理，加密后的普通雙槽模頭的網(wǎng)格總數(shù)為359486，網(wǎng)格數(shù)量越多，越能確保計(jì)算精度。

圖3 普通雙槽模頭的計(jì)算域

2.2 湍流模型與邊界參數(shù)

本文選擇應(yīng)用最為廣泛的k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型計(jì)算熔噴流場(chǎng)中的湍流核心區(qū)域，具有計(jì)算時(shí)間少且準(zhǔn)確性高的優(yōu)勢(shì)。采用Krutka等[12]的湍流設(shè)置參數(shù)。模擬計(jì)算時(shí)假設(shè)流場(chǎng)中的熱空氣為可壓縮氣體。圖3中，邊界BC為流場(chǎng)壓力入口，絕對(duì)壓力值為121 kPa，氣體溫度為17.6 ℃，入口邊界的湍流強(qiáng)度設(shè)置為10%，水力直徑值等于氣槽寬度。邊界EF、FG為壓力出口，壓力和氣體溫度與環(huán)境大氣相同，湍流強(qiáng)度為10%，水力直徑為10.00 mm；OG為對(duì)稱邊界，其他邊界假設(shè)為溫度為20.6 ℃的無(wú)滑移壁面。

3 結(jié)果與討論

模頭中心線上的氣流速度、氣體溫度、氣體靜態(tài)壓強(qiáng)和湍流強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)熔噴纖維的生產(chǎn)至關(guān)重要，這些參數(shù)也是評(píng)估漸縮式氣槽、同時(shí)帶有漸縮式氣槽和圓弧形噴絲板的新模頭性能的重要參數(shù)。Bansal等[13]研究發(fā)現(xiàn)，超過(guò)96%的纖維拉伸發(fā)生在距熔噴雙槽模頭噴絲孔出口即端面15.00 mm的范圍內(nèi)。因此，本研究將重點(diǎn)關(guān)注這一區(qū)域的流場(chǎng)分布。

3.1 氣流速度分布

由圖4不同雙槽模頭中的氣體在流場(chǎng)中心線上的速度分布曲線可知，這3條曲線具有相同的變化趨勢(shì)，即氣流速度在較短的距離內(nèi)可達(dá)最大值，并在達(dá)峰值處迅速減小，然后速度減小幅度放緩，直至氣流速度趨于平穩(wěn)。從圖4 a)可明顯觀察到，與普通雙槽模頭相比，氣流在兩個(gè)新雙槽模頭中的平均流速提高了32.4%, 達(dá)76.365 8 m/s，說(shuō)明新模頭在流場(chǎng)中心線上具有更高的流速。

圖4 不同雙槽模頭中心線上的氣流速度分布

圖4b)為距雙槽模頭中心線15.00 mm內(nèi)的氣流速度分布曲線。在該區(qū)域中，氣流在新模頭2中心線的平均流速為154.0665 m/s，較普通雙槽模頭提高了38.5%。對(duì)比3條曲線發(fā)現(xiàn)，氣流在熔噴雙槽模頭中的最大氣流速度發(fā)生在距模頭中心線4.00～6.00 mm的區(qū)域內(nèi)，因此可認(rèn)為該區(qū)域是細(xì)化纖維的主要場(chǎng)所。同時(shí)，氣流在新模頭2中的最大流速比普通雙槽模頭提高了27.7%，且維持時(shí)間較長(zhǎng)，這一特性也非常有利于熔噴纖維的細(xì)化，有利于獲取微細(xì)纖維。此外，在靠近模頭的極小區(qū)域內(nèi)，存在因空氣噴嘴突然變大而產(chǎn)生的氣流反向回流區(qū)，易對(duì)熔噴纖維產(chǎn)生擾動(dòng)甚至令纖維黏附于模頭端面。氣流在新模頭1的反向回流區(qū)中，氣流速度高于普通雙槽模頭，在新模頭2的反向回流區(qū)中的氣流速度最小，可減少對(duì)纖維的擾動(dòng)，避免了產(chǎn)生纖維缺陷。圖4表明，將普通雙槽模頭的平行氣槽改為漸縮式氣槽或?qū)娊z板端部設(shè)計(jì)為圓弧狀，可提高氣流在模頭中心線距模頭端面15.00 mm內(nèi)的流速，減小回流區(qū)的反向流速。因此，新模頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有明顯提高氣流速度的優(yōu)勢(shì)。

3.2 氣體溫度分布

由不同熔噴雙槽模頭中心線上的全域流場(chǎng)[圖5 a)]和距模頭端面15.00 mm內(nèi)[圖5 b)]的氣體溫度分布曲線可知，在靠近雙槽模頭噴絲孔出口附近的較小區(qū)域，新模頭2的氣體溫度較高，隨后在較小的區(qū)域內(nèi)溫度降低較快。較高的氣體溫度能夠延遲聚合物的固化，并降低聚合物的黏度，有效增加纖維細(xì)化的時(shí)間。因此，流場(chǎng)較高的氣體溫度有利于更好地細(xì)化纖維，從而制備線密度更小的纖維。結(jié)合圖4的氣流速度分布曲線可知，在距模頭端面4.00～6.00 mm的區(qū)域內(nèi)，具有漸縮式氣槽與圓弧形噴絲板的新模頭2不僅具有較大的氣流速度，氣體溫度也較高，這一雙重優(yōu)勢(shì)對(duì)細(xì)化熔噴纖維非常有利。

圖5 不同雙槽模頭中心線上的溫度分布

3.3 氣體靜態(tài)壓強(qiáng)分布

由圖6距不同雙槽模頭端面10.00 mm區(qū)域內(nèi)的氣體靜態(tài)壓強(qiáng)分布曲線可知，3個(gè)模頭中心線上的靜態(tài)壓強(qiáng)都呈現(xiàn)先增大后減小，最后趨于平緩的趨勢(shì)。距模頭端面大于4.00 mm的較大范圍內(nèi)，3個(gè)模頭的靜態(tài)壓強(qiáng)基本相同。在模頭端面附近，新模頭2的氣體靜態(tài)壓強(qiáng)最大，壓力差也較大，可賦予熔融纖維較大的壓力，從而有利于纖維的細(xì)化。

圖6 距模頭端面15.00 mm范圍的氣體靜態(tài)壓強(qiáng)分布曲線

3.4 湍流強(qiáng)度分布

由圖7不同模頭中心線上的湍流強(qiáng)度分布曲線可知，與普通雙槽模頭和新模頭1相比，新模頭2中氣流湍流強(qiáng)度的初始值和湍流強(qiáng)度峰值都較小。在距離模頭端面大于8.00 mm的區(qū)域，新模頭2的湍流強(qiáng)度略高，但不會(huì)對(duì)纖維的細(xì)化產(chǎn)生明顯影響。因此，新模頭2噴絲孔附近的區(qū)域存在較低的湍流強(qiáng)度，有助于熔噴纖維的拉伸。

圖7 不同雙槽模頭中心線上的湍流強(qiáng)度分布

湍流強(qiáng)度是氣流場(chǎng)中流速產(chǎn)生波動(dòng)的主要因素，帶有漸縮式氣槽和同時(shí)帶有漸縮式氣槽與圓弧形噴絲板端面的兩種新型熔噴雙槽模頭結(jié)構(gòu)可大幅降低模頭端部氣流波動(dòng)對(duì)纖維細(xì)化的影響。因此，兩種新雙槽模頭相比普通雙槽模頭能夠更有效地降低聚合物熔體在模頭端面黏附的概率，減少纖維的斷裂及纖維間的黏連。

4 結(jié)論

本文基于普通熔噴雙槽模頭，設(shè)計(jì)了具有漸縮氣槽和同時(shí)帶有漸縮式氣槽與圓弧形噴絲板的新型雙槽模頭。采用CFD方法和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型模擬了氣流在普通雙槽模頭和新模頭流場(chǎng)中心線上的氣體速度、氣體溫度、氣體靜態(tài)壓強(qiáng)及湍流強(qiáng)度分布等參數(shù)，可得如下結(jié)論。

(1) 相比普通雙槽模頭，氣流在新雙槽模頭中心線上的平均流速增加了32.4%，最大速度可增加27.7%，距模頭端面15.00 mm范圍內(nèi)的平均流速相應(yīng)增加了38.5%，增幅較大。此外，新雙槽模頭中較小的湍流強(qiáng)度能夠降低模頭端面附近回流區(qū)的反向速度，減少模頭端面熔噴纖維的斷裂和黏附現(xiàn)象。

2) 在距離模頭端面4～6 mm的區(qū)域內(nèi)，新雙槽模頭不僅有較大的氣體流速，還有較高的氣體溫度，能有效減緩模頭中心線上氣流溫度的衰減程度，從而達(dá)到降低能耗的目的。

3) 氣流在新雙槽模頭中的最大靜態(tài)壓強(qiáng)和壓強(qiáng)差較大。較高的壓強(qiáng)值和壓強(qiáng)差有利于纖維的進(jìn)一步細(xì)化。

帶有漸縮式氣槽和同時(shí)帶有漸縮式氣槽與圓弧形噴絲板端面的兩種新型熔噴雙槽模頭有較好的氣流速度和溫度分布優(yōu)勢(shì)，且氣流流速較高，回流區(qū)反向流速小，氣體靜態(tài)壓強(qiáng)和壓強(qiáng)差較大，湍流強(qiáng)度較小。因此，新雙槽模頭的結(jié)構(gòu)有助于熔噴工藝中纖維的細(xì)化，提高纖維產(chǎn)品的質(zhì)量。