基于多孔介質(zhì)模型的非織造布阻力特性研究

胡汝生，劉 寅，杜晨陽，王仕元，李志強(qiáng)，王 順

(中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院， 河南 鄭州 451191)

非織造布是用短纖維或者長(zhǎng)絲通過纖網(wǎng)成型和固結(jié)技術(shù)制作的織物，具有生產(chǎn)工藝流程短、速度快、成本低、產(chǎn)量高等優(yōu)良特點(diǎn)[1]，具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。非織造布可應(yīng)用于過濾工業(yè)領(lǐng)域中的汽油、機(jī)油以及空氣的過濾，生活中還能用來過濾水，還可在制藥業(yè)、礦物加工業(yè)中用于液體濾芯和袋式過濾器以及真空袋的制作等[3]。現(xiàn)有空氣過濾材料多表現(xiàn)出疏水性[4-5]，其水蒸氣透過率較低，導(dǎo)致高濕度條件下材料的空氣阻力急劇增大，且耐清洗性能較差[6]?？芍硐氲目諝膺^濾材料應(yīng)滿足過濾阻力低、透氣性好的性質(zhì)[7-8]，非織造布在氣體過濾領(lǐng)域中的應(yīng)用最為廣泛[9]。想要獲得非織造布的阻力特性，通常需要按照紡織品織物透氣性測(cè)定原理測(cè)得。多數(shù)情況下模擬工作的速度比實(shí)驗(yàn)工作快，可節(jié)省相當(dāng)多的成本和時(shí)間[10-11]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)值計(jì)算方法的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬已經(jīng)成為與理論分析、實(shí)驗(yàn)研究并列的3種研究方法之一。CFD是數(shù)值模擬求解流體動(dòng)力學(xué)控制方程的重要分支，通過計(jì)算機(jī)和數(shù)值計(jì)算的有效指導(dǎo)進(jìn)行預(yù)測(cè)研究，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好[12-14]。針刺非織造布是一種多孔結(jié)構(gòu)材料。多孔介質(zhì)模型可用于多孔物質(zhì)，將其簡(jiǎn)化為增加阻力源項(xiàng)的流體區(qū)域,來避免建立復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型[15-16]。本文基于多孔介質(zhì)模型從而省去建立針刺非織造布的真實(shí)結(jié)構(gòu)模型，研究了針刺非織造布經(jīng)過浸膠工藝處理、噴濕處理等處理方式，無塵空氣流速，溫濕度，厚度對(duì)其阻力性能的影響，為非織造行業(yè)對(duì)針刺非織造布的初阻力性能評(píng)估提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：DKS-2型多功能空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示(東北制藥集團(tuán)沈陽市醫(yī)療器械三廠)；YYT-200B斜管壓力計(jì)(上海紅宇電子設(shè)備廠，精度等級(jí)1)；TSI5825型微差壓計(jì)(上海榕申國(guó)際貿(mào)易有限公司)；YM3空盒氣壓表(上海隆拓儀器設(shè)備有限公司)；testo608-H1溫濕度表(無錫美測(cè)測(cè)量技術(shù)有限公司)；針刺非織造布(軟質(zhì)不浸膠面密度125 g/m2；硬質(zhì)浸膠面密度180 g/m2；厚度1 mm，原料100%滌綸纖維，湖北綠宇環(huán)保有限公司)如圖2所示。

1—風(fēng)量調(diào)節(jié)閥；2—出風(fēng)管；3—消聲器；4—機(jī)箱；5—角輪；6—支架；7—標(biāo)準(zhǔn)皮托管；8—整流格；9—法蘭；10—入風(fēng)管；11—取壓環(huán)；12—入口。圖1 DKS-2型空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of DKS-2 aerodynamics experimental device

圖2 針刺非織造布圖Fig.2 Needle-punched nonwoven fabric drawing.(a)Soft material without gum dipping;(b)Hard material with gum dipping

DKS-2型空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)，氣體由入口流入，通過入風(fēng)管，由出風(fēng)管流出，通過風(fēng)量調(diào)節(jié)閥對(duì)流速進(jìn)行控制。針刺非織造布平行于入風(fēng)管管道截面，安裝在法蘭處，空氣垂直透過針刺非織造布。標(biāo)準(zhǔn)皮托管管嘴處于管道軸心，YYT-200B斜管壓力計(jì)通過橡膠軟管與標(biāo)準(zhǔn)皮托管連接測(cè)量壓差，微差壓計(jì)通過橡膠軟管與取壓環(huán)連接測(cè)量流速。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 理論方程和多孔介質(zhì)模型

2.1.1 理論方程

在整個(gè)數(shù)值仿真模擬中作為連續(xù)相處理空氣流體，運(yùn)輸過程主要是通過建立的三維模型域x、y、z向的穩(wěn)態(tài)方程和動(dòng)量方程確定[17]。模擬過程中不計(jì)空氣能量的變化，不考慮能量守恒方程[18]。氣體質(zhì)量運(yùn)輸方程和動(dòng)量守恒方程見式(1)～(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ρ為空氣流體的密度，kg/m3；p為空氣流體的壓強(qiáng)，Pa；v為空氣流體的速度，m/s；τ為應(yīng)力張量，Pa；f為單位質(zhì)量力，m/s2。

選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型來模擬空氣流體的在流體域中的流動(dòng)狀態(tài)，通過k方程、ε方程解得[19]如式(5)(6)所示。

ρε-YM+Sk

(5)

(6)

式中：C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09為模型經(jīng)驗(yàn)常量；σk=1.0、σε=1.3為k與ε方程的無量綱參數(shù)；μ為空氣流體的動(dòng)力黏度，kg/(m·s)；Gk、Gb為層流速度梯度與浮力引起的湍流動(dòng)能，m2/s2；YM為在湍流中過度的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；μt=ρCμk2/ε，為渦黏性系數(shù)；t為時(shí)間，s；xi、xj為i向與j向的坐標(biāo)；Sk、Sε為用戶自定義數(shù)，Sk=0，Sε=0。

2.1.2 多孔介質(zhì)模型

多孔介質(zhì)模型能夠比較精準(zhǔn)地模擬壓損[20-21]，是從多孔介質(zhì)宏觀流動(dòng)中遵守的控制方程出發(fā),采用數(shù)值方法來模擬研究多孔介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)并得到所需結(jié)果[22]。根據(jù)針刺非織造布內(nèi)部真實(shí)結(jié)構(gòu)建立模型較為困難，在仿真過程中通過將針刺非織造布所在域定義為多孔介質(zhì)，其余的域設(shè)置為流體域，實(shí)現(xiàn)針刺非織造布的壓損模擬。多孔介質(zhì)模型是通過在動(dòng)量方程中增加一個(gè)源項(xiàng)來模擬多孔性的材料對(duì)流體的流阻[23]，其源項(xiàng)由黏性阻力項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)組成[24-26]:

(7)

式中：Si為i向源項(xiàng)，kg/(m2·s2)；Dij、Cij為黏性阻力和慣性損失系數(shù)矩陣；|v|為流體空氣的表觀流速值，m/s；vi、vj為i向j向空氣流體的速度，m/s。在式(5)Dij和Cij系數(shù)矩陣對(duì)角代入1/α和C2，其余為零，則動(dòng)量源項(xiàng)方程可簡(jiǎn)化為[27-28]：

(8)

式中：α為滲透系數(shù)，m-2；C2為慣性阻力系數(shù)，可看作沿流動(dòng)方向上每一單位長(zhǎng)度的損失系數(shù)，m-1；1/α為黏性阻力系數(shù)。

2.1.3 多孔介質(zhì)模型參數(shù)求解方法

用壓力降與速度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來計(jì)算阻力系數(shù)，數(shù)據(jù)擬合為[29-30]：

p=a1v2+b1v

(9)

動(dòng)量源項(xiàng)為多孔介質(zhì)中單位長(zhǎng)度的壓降，即：

(10)

式中：Δn為厚度，m。比較式(8) (9) (10)可知：a1=ρΔnC2/2

通過函數(shù)擬合得到參數(shù)a1之后求慣性阻力系數(shù)C2，式(9)中：b1=μΔn/α

2.2 網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)置

模型采用Multizone(多區(qū))網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元尺寸、最大尺寸設(shè)置為0.005 m，模型劃分為813 204個(gè)單元，842 894個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)。網(wǎng)格的最大偏斜度為0.421 56，網(wǎng)格質(zhì)量較好。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Grid division diagram.(a)Fluid domain grid; (b)Porous media domain grid

本文中空氣流速處于低速氣體(Ma≤0.3)范疇，可忽略空氣的可壓縮性。流體進(jìn)口采用速度入口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件，湍流強(qiáng)度設(shè)為5%，水力直徑設(shè)為實(shí)驗(yàn)裝置圓形風(fēng)道內(nèi)直徑0.192 m，其余設(shè)置則選擇默認(rèn)值。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。流場(chǎng)求解方面，壓力-速度耦合采用Coupled算法，動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流耗散率選用二階迎風(fēng)離散格式，考慮殘差曲線的收斂情況并選擇適當(dāng)?shù)牡介L(zhǎng)。

2.3 網(wǎng)格獨(dú)立無關(guān)性驗(yàn)證

為確保CFD仿真模擬研究數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性，以及避免網(wǎng)格數(shù)量帶來的數(shù)值計(jì)算誤差，采取對(duì)建立的仿真模型進(jìn)行一項(xiàng)網(wǎng)格獨(dú)立無關(guān)性的研究分析。本文考慮仿真模型在計(jì)算時(shí)其網(wǎng)格劃分的網(wǎng)格數(shù)量較小帶來數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確性問題及網(wǎng)格數(shù)量過大帶來的計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)的問題，考慮模型劃分的網(wǎng)格數(shù)量在一定范圍內(nèi)變化，選用設(shè)計(jì)空氣流體流速為2、3、4、5、6 m/s時(shí)的針刺非織造布阻力進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比分析，如圖4所示?？芍谶x取的設(shè)計(jì)流速下，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量劃分為50.0萬時(shí)，阻力變化波動(dòng)較??；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量劃分至81.3萬個(gè)時(shí)，阻力變化波動(dòng)趨于穩(wěn)定，且與較少的網(wǎng)格數(shù)量相比阻力值相近；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量劃分增加至106.8萬個(gè)時(shí)，阻力變化波動(dòng)不大且通過增加網(wǎng)格數(shù)量帶來的效果很小，繼續(xù)增大網(wǎng)格數(shù)量帶來的效果較小。由于網(wǎng)格數(shù)量的繼續(xù)增加會(huì)增加計(jì)算資源的消耗且大幅增大計(jì)算時(shí)間，此時(shí)可以認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)量的繼續(xù)增加對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響可以忽略[31]。通過對(duì)網(wǎng)格獨(dú)立無關(guān)性的研究來確定網(wǎng)格數(shù)量和分布的適宜性，有利于得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果并節(jié)省計(jì)算時(shí)間。通過無關(guān)性分析最終確定網(wǎng)格數(shù)量劃分為81.3萬個(gè)。

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Fig.4 Grid independence verification

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 流速-阻力擬合曲線

通過在設(shè)計(jì)流速下對(duì)針刺非織造布的阻力進(jìn)行仿真計(jì)算。以未浸膠針刺非織造布為例，以模擬值與實(shí)驗(yàn)值繪出其常態(tài)和噴濕態(tài)下的流速-阻力擬合曲線，如圖5所示?？梢钥闯?，仿真值與實(shí)驗(yàn)值相比，貼合度較高且趨勢(shì)基本相同，證明本次仿真模擬中的阻力值具有很高的可信度，且流動(dòng)性能幾乎可以全面呈現(xiàn)[32]。

圖5 流速-阻力擬合曲線圖Fig.5 Flow velocity-resistance fitting curve

3.2 流場(chǎng)特性分析

設(shè)計(jì)以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度為20 ℃、相對(duì)濕度30%、流速2 m/s的無塵空氣為內(nèi)部流體進(jìn)行仿真計(jì)算，得到未浸膠、浸膠針刺非織造布在常態(tài)及噴濕態(tài)下的流場(chǎng)分布，如圖6所示。

圖6 流場(chǎng)截面速度和壓力分布圖Fig.6 Velocity and pressure distribution of flow field(a)Normal unimpregnated;(b)Unpreg inspray wet state;(c)Normal immersion;(d)Spray wet dipping

由圖6可知，空氣以一定速度流經(jīng)針刺非織造布時(shí)，受到阻力作用，流速減小，前后形成壓降；可以看出針刺非織造布噴濕、浸膠后對(duì)流體阻力作用明顯增大，符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)噴濕處理后，未浸膠針刺非織造布的獨(dú)特纖維結(jié)構(gòu)中存在大量水分，導(dǎo)致密度增大，透氣性降低，對(duì)流體的阻力作用增大。對(duì)于浸膠處理后的針刺非織造布，浸膠后黏結(jié)劑在互相交錯(cuò)的纖維間形成黏連或成膜，透氣性降低，阻力增大，噴濕后更大。由圖6(a)(b)可看出，未浸膠的針刺非織造布，在常態(tài)、噴濕態(tài)下的速度場(chǎng)分布相似，噴濕處理對(duì)速度場(chǎng)分布無明顯改變，但會(huì)增大對(duì)流體的阻礙作用，導(dǎo)致壓降增大；由圖6(a)(c)可看出，針刺非織造布經(jīng)浸膠處理后，速度分布與未浸膠針刺非織造布相差較大，可知經(jīng)過浸膠工藝處理后，纖維致密度的提高對(duì)流體通過有較大影響，由圖6(d)可看出噴濕后影響會(huì)更大。對(duì)針刺非織造布正反2面壓力進(jìn)行研究，繪制表面壓力分布云圖，如圖7所示。

圖7 針刺非織造布表面壓力分布云圖Fig.7 Surface pressure distribution nephogram of needle-punched nonwovens. (a) Normal unimpregnated fluid surface; (b) Normal non-dipped fluid surface; (c) Spray wet unimpregnated fluid facing; (d) Unimpregnated fluid surface in spray state; (e) Normal dipping facing fluid surface; (f) Normal leaching fluid surface; (g) Spray wet dipping facing; (h) Extruded fluid surface by spray-wetting

針刺非織造布的獨(dú)特纖維網(wǎng)層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部纖維隨機(jī)排布，空氣流體流經(jīng)針刺非織造布時(shí)，互相交錯(cuò)的纖維會(huì)使空氣繞行，產(chǎn)生阻力。由于邊界層存在，緊靠圓管壁面附近，流速較勢(shì)流流速急劇減小，流體流進(jìn)針刺非織造布邊緣區(qū)域時(shí)的速度與中心流體區(qū)域相比會(huì)較小，且會(huì)受到針刺非織造布的阻力，形成邊緣區(qū)域壓力較中心域會(huì)更大的現(xiàn)象，且噴濕后造成的壓力較常態(tài)會(huì)更大，圖7(a)(c)(e)(g)很好的展示了這一現(xiàn)象。如圖7(b)(d)(f)(h)所示，當(dāng)流體流出針刺非織造布多孔介質(zhì)區(qū)域時(shí)，在近壁面處流體不會(huì)受到針刺非織造布阻力的作用，壁面處流速會(huì)相對(duì)增大，邊緣區(qū)域壓力會(huì)變小。

為更好的展現(xiàn)針刺非織造布表面壓力分布特性，以未浸膠針刺非織造布常態(tài)和噴濕態(tài)為例，繪出多孔介質(zhì)表面中軸線壓力隨距離的變化曲線，如圖8所示?？梢钥闯龆嗫捉橘|(zhì)表面中軸線壓力曲線進(jìn)一步證實(shí)了上述的針刺非織造布表面壓力分布特性。通過對(duì)整個(gè)流場(chǎng)阻力進(jìn)行研究，繪制流場(chǎng)軸心壓力分布曲線，如圖9所示。從曲線圖可明顯看出流體流經(jīng)針刺非織造布時(shí)，阻力會(huì)出現(xiàn)明顯升高的特性。

圖8 多孔介質(zhì)表面中軸線壓力隨距離的變化曲線 Fig.8 Variation curve of axial pressure with distance on porous media surface

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置中心壓力隨距離的變化曲線Fig.9 Variation curve of center pressure of experimental device with distance

3.3 空氣溫濕度對(duì)阻力的影響

通常的空氣是含有一定數(shù)量水蒸氣的濕空氣，進(jìn)行以濕空氣為工質(zhì)的流動(dòng)計(jì)算時(shí)，需要確定其熱物理性質(zhì)的數(shù)值，實(shí)驗(yàn)時(shí)濕空氣動(dòng)力黏度由擬合方程[33](11)計(jì)算：

μ=(8.180 4+4.011×10-2t-1.785 8×

10-5t2)×10-6

(11)

濕空氣密度[34]為：

(12)

式中：ρs為濕空氣密度，kg/m3；pq,b為飽和空氣水蒸氣分壓力，Pa;pa為大氣壓力，Pa;T為濕空氣的熱力學(xué)溫度，K；φ為空氣相對(duì)濕度，%。

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，研究浸膠、未浸膠針刺非織造布在常態(tài)及噴濕態(tài)下，阻力隨無塵空氣溫度、相對(duì)濕度的變化。以流速2、3、4 m/s為例繪制出阻力隨空氣溫度、相對(duì)濕度的變化，如圖10所示。

由圖10可知，無塵空氣流經(jīng)常態(tài)、噴濕態(tài)針刺非織造布時(shí)，流速越大，阻力越大；浸膠處理、噴濕處理會(huì)明顯增大阻力；在研究的溫濕度范圍內(nèi)，流速越大，上下限阻力差值波動(dòng)幅度越大。浸膠、未浸膠針刺非織造布在常態(tài)及噴濕態(tài)時(shí)，當(dāng)溫度、流速一定條件下，濕度增大，阻力減小。由式(12)可知，在大氣壓強(qiáng)、溫度一定時(shí)，空氣中水蒸氣含量越大，即φpq,b值越大，濕空氣的密度越小，原因在于空氣的分子量大于水的分子量，由式(11)可知當(dāng)溫度恒定時(shí)，濕空氣動(dòng)力黏度不變，因此在溫度、流速一定條件下，阻力隨相對(duì)濕度增大而減小的原因在于空氣濕度的增大導(dǎo)致的空氣密度的減小。通過針刺非織造布阻力隨溫度濕度變化圖可知，在50～100 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，在流速、溫度一定條件下，相對(duì)濕度增大，阻力顯著減?。辉?～50 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，在流速、溫度一定條件下，相對(duì)濕度增大，阻力無明顯減小。可知在0～50 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，流速、溫度一定時(shí)，相對(duì)濕度對(duì)非織造布阻力影響較小。如圖11所示，在0～50 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，相對(duì)濕度的變化對(duì)空氣密度影響較小，原因在于飽和空氣的水蒸氣分壓力pq,b較小，相對(duì)濕度對(duì)空氣密度的影響較小，因此對(duì)針刺非織造布的阻力變化影響不大。對(duì)于未浸膠常態(tài)、噴濕態(tài)針刺非織造布及常態(tài)浸膠針刺非織造布，可以看出在流速、相對(duì)濕度一定條件下，溫度增大，阻力增大；噴濕態(tài)浸膠針刺非織造布在流速、相對(duì)濕度一定條件下，溫度增大，阻力減小。當(dāng)空氣流速和相對(duì)濕度一定時(shí)，隨著空氣溫度的升高，空氣密度雖然會(huì)減小，但空氣的動(dòng)力黏度會(huì)隨著溫度的升高而變大，此時(shí)空氣動(dòng)力黏度隨溫度升高而增大是未浸膠常態(tài)、噴濕態(tài)針刺非織造布及常態(tài)浸膠針刺非織造布阻力增大的主導(dǎo)因素；對(duì)于噴濕態(tài)浸膠針刺非織造布在流速、相對(duì)濕度一定條件下，阻力隨溫度的增大而減小，推測(cè)浸膠針刺非織造布在噴濕態(tài)下，纖維間的膜狀物與水分相互作用形成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其阻力受流體密度的影響較大。

圖10 針刺非織造布阻力隨溫度濕度變化圖(v=2,3,4 m/s)Fig.10 Diagram of resistance of needle-spun nonwovens with temperature and humidity(v=2,3,4 m/s). (a) Normal unimpregnated needle-punched nonwovens; (b) Needle-punched nonwovens in wet state; (c) Normal dipping needle-punched nonwovens; (d) Needle-punched nonwovens with wet-jet dip adhesive

圖11 空氣密度隨濕度變化曲線Fig.11 Curve of air density with humidity

總體來看，在50～100 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，當(dāng)空氣的流速、溫度一定時(shí)，相對(duì)濕度對(duì)阻力有顯著影響。在0～50 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，相對(duì)濕度對(duì)阻力無明顯影響。對(duì)于未浸膠常態(tài)、噴濕態(tài)針刺非織造布及常態(tài)浸膠針刺非織造布，在流速一定時(shí)，溫度越低，相對(duì)濕度越大，阻力越??；而對(duì)于噴濕態(tài)浸膠針刺非織造布，在流速一定時(shí)，溫度越大，相對(duì)濕度越大，阻力越小。

3.4 流速和厚度對(duì)阻力的影響

以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度為20 ℃、相對(duì)濕度30%的無塵空氣為內(nèi)部流體，研究不同流速和厚度下未浸膠、浸膠針刺非織造布在常態(tài)及噴濕態(tài)時(shí)的阻力，如圖12所示。

圖12 阻力隨流速和厚度變化曲線Fig.12 Curve of resistance with flow velocity and thickness.(a)Unimpregnated needle-punched nonwovens;(b)Dipping needle-punched nonwovens

由圖12可知，噴濕對(duì)浸膠針刺非織造布的阻力性能影響更大。原因可能是，浸膠后的針刺非織造布纖維間與膜狀物間充斥著大量水分，在水分與膜狀物的雙重作用下對(duì)整體透氣性影響更大，阻力變化更大。針刺非織造布的厚度影響阻力，但厚度越大不代表阻力越大，二者雖然有密切關(guān)系，但阻力大小還取決于流體流速等。在流速一定條件下，阻力與厚度呈正相關(guān)；在厚度一定條件下，阻力與流速呈正相關(guān)。對(duì)變化曲線的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，浸膠、未浸膠針刺非織造布在常態(tài)及噴濕態(tài)下，當(dāng)流速一定時(shí)，厚度規(guī)律性增大，阻力之間的差值近似為定值。故在流速一定條件下，通過測(cè)定同一類型，厚度不同的針刺非織造布阻力即可得到這個(gè)定值，記為u。通過這個(gè)定值u，估算相同流速下厚度不同的針刺非織造布阻力，偏差不超過2%。在流速、厚度同時(shí)規(guī)律性增大時(shí)，u與流速呈二次函數(shù)關(guān)系，與流速呈正相關(guān)，可擬合為u=a2v2+b2v，a2、b2為擬合系數(shù)。以圖12為例：ua常態(tài)=0.188 3v2+0.897 2v，ua噴濕態(tài)=0.200 4v2+2.641 8v，ub常態(tài)=0.894 0v2+2.423 9v，ub噴濕態(tài)=4.610 0v2+4.158 9v。常態(tài)和噴濕態(tài)下的浸膠、未浸膠針刺非織造布，在厚度一定時(shí)，規(guī)律性的增大流速，阻力之間的差值近似等差數(shù)列。可通過測(cè)試3組不同流速下針刺非織造布阻力，即可推出其它流速下的阻力，推測(cè)出的阻力與真實(shí)值之間偏差不超過30%。

4 結(jié) 論

本文采用CFD流場(chǎng)數(shù)值模擬方法，基于多孔介質(zhì)模型研究了無塵空氣的流速、溫度、濕度對(duì)針刺非織造布初阻力性能的影響；在此基礎(chǔ)上對(duì)浸膠、噴濕、厚度與阻力之間的關(guān)系進(jìn)行分析。得出以下結(jié)論：

①基于CFD計(jì)算得到的阻力模擬值與實(shí)驗(yàn)值相近，流速-阻力曲線的貼合度較好，趨勢(shì)相同，符合實(shí)際情況；證明了數(shù)值模擬研究數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，能有效地獲取壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)，并進(jìn)行研究分析。

②浸膠、噴濕會(huì)增大針刺非織造布阻力，浸膠對(duì)針刺非織造布阻力的影響更大。在溫度、流速一定條件下，相對(duì)濕度增大，阻力減??；且在50～100 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，增大相對(duì)濕度，阻力會(huì)顯著減小，在0～50 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，阻力不會(huì)明顯減小。常態(tài)、噴濕態(tài)未浸膠及常態(tài)浸膠針刺非織造布，在流速、相對(duì)濕度一定時(shí)，溫度增大，阻力增大；噴濕態(tài)浸膠針刺非織造布則在流速、相對(duì)濕度一定條件下，溫度增大，阻力減小。

③針刺非織造布的阻力與流速、厚度呈正相關(guān)。在流速一定時(shí)，厚度規(guī)律性增大，阻力之間的差值近似為定值。通過定值估算相同流速下厚度不同的針刺非織造布阻力，估算偏差不超過2%。常態(tài)和噴濕態(tài)下的浸膠、未浸膠針刺非織造布，在厚度一定時(shí)，規(guī)律性的增大流速，阻力之間的差值近似為等差數(shù)列。可通過測(cè)試3組規(guī)律性流速下的阻力來推測(cè)其它流速下阻力，推測(cè)偏差不超過30%。研究結(jié)果可為針刺非織造布初阻力性能評(píng)估和預(yù)測(cè)提供參考。