氣流對(duì)火焰噴吹玻璃纖維取向分布的影響

孫 瑜，陳照峰，李曼娜，吳 操，孟 強(qiáng)，陳 超

（南京航空航天大學(xué)，南京 211106）

0 前言

玻璃纖維棉是種由玻璃纖維層疊纏繞搭接并添加膠黏劑制成的輕質(zhì)多孔無機(jī)材料［1-5］。通過將玻璃高溫熔化、火焰噴吹、集棉固化、烘干壓制等成型工藝制備而成。與傳統(tǒng)有機(jī)材料相比，玻璃纖維棉容重小、孔徑小、孔隙率高等結(jié)構(gòu)特性決定其具有輕質(zhì)、憎水阻燃、保溫隔熱、吸聲隔聲、耐腐蝕、抗老化和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、建筑、船舶、高鐵、冷鏈運(yùn)輸?shù)戎匾I(lǐng)域充分應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料制備

玻璃纖維棉是將通過火焰噴吹工藝制得的玻璃纖維和膠黏劑按一定比例復(fù)合形成的棉狀復(fù)合材料，由于其具有輕質(zhì)阻燃、隔熱保溫、隔音降噪、耐腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、交通、建筑、船舶等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文通過控制火焰噴吹工藝參數(shù)制備出不同規(guī)格的玻璃纖維棉，再經(jīng)高溫固化一定時(shí)間后成型，按照規(guī)定裁切成一定數(shù)量尺寸相同的樣品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)提取、微觀形貌表征以及性能的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

表1為本實(shí)驗(yàn)中所需要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器。其中火焰噴吹設(shè)備為材料制備設(shè)備，風(fēng)速測(cè)試儀、B&K阻抗管、光學(xué)顯微鏡、臺(tái)式掃描電子顯微鏡、導(dǎo)熱系數(shù)儀、電子天平和電子單紗拉力機(jī)等作為材料檢測(cè)分析設(shè)備。

表1 主要實(shí)驗(yàn)儀器及型號(hào)

如圖1所示，稱取定量的玻璃原料加入高溫窯爐，在1000 ℃左右熔化形成熔融玻璃液，熔融玻璃液經(jīng)過漏板的漏孔流出，通過拉絲器控制形成數(shù)百根直徑為150～240μm的初次長(zhǎng)絲纖維。

圖1 火焰噴吹原理示意圖

初次長(zhǎng)絲纖維流下落后，經(jīng)過火焰噴嘴前端產(chǎn)生的1200 ℃左右的高溫高速氣流（330～370 m3/h+33~38 m3/h）作用，將初次長(zhǎng)絲纖維吹入軸對(duì)稱導(dǎo)棉通道內(nèi)，初次纖維在高溫高速氣流的作用下發(fā)生分離、細(xì)化、牽引和凝聚。

凝聚的玻璃纖維進(jìn)入集棉室并同時(shí)噴灑酚醛樹脂膠黏劑，通過負(fù)壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的抽吸壓力（600~750 Pa），將含有酚醛樹脂膠黏劑的玻璃纖維吸附到集棉網(wǎng)帶上，經(jīng)過多層疊加形成初次玻璃纖維棉，然后經(jīng)過傳送帶進(jìn)入固化爐，在高溫對(duì)熱流風(fēng)的作用下進(jìn)行干燥固化，最后形成一定柔潤(rùn)度、厚度和強(qiáng)度的玻璃纖維棉［6-8］。

1.2 模擬計(jì)算

PFC中的循環(huán)計(jì)算流程如圖2所示［9-11］，循環(huán)步驟包括：（1）時(shí)步確定，離散元方法需要一個(gè)有效的有限時(shí)間步長(zhǎng)，以確保模型的數(shù)值穩(wěn)定性；（2）運(yùn)動(dòng)法則，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，更新每個(gè)物體的位置和速度；（3）時(shí)步推進(jìn)，通過將當(dāng)前時(shí)步添加到上一個(gè)模型時(shí)間來推進(jìn)模型時(shí)步；（4）接觸檢測(cè)，根據(jù)當(dāng)前物體位置自動(dòng)創(chuàng)建或刪除接觸；（5）力-位移法則。每個(gè)接觸處的力和力矩通過物體當(dāng)前狀態(tài)的合適接觸模型進(jìn)行更新。

圖2 PFC計(jì)算循環(huán)步驟

在模擬計(jì)算過程中，需要對(duì)纖維顆粒模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，本次研究將纖維顆粒簡(jiǎn)化為剛性、細(xì)長(zhǎng)的圓柱狀顆粒，如圖3纖維顆粒的長(zhǎng)為2l，半徑為2r，則纖維顆粒模型的長(zhǎng)徑比可以表示為A=l/r。

圖3 纖維顆粒模型

如圖4是導(dǎo)棉通道的物理模型，將其導(dǎo)入PFC軟件中，如圖5是導(dǎo)入PFC后的通道模型，設(shè)置相關(guān)模擬參數(shù)進(jìn)行模擬。

圖4 導(dǎo)棉通道的物理模型

圖5 導(dǎo)入PFC生成墻體后模型

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 氣流量對(duì)玻璃纖維取向分布的影響

本節(jié)選取不同天然氣流量對(duì)導(dǎo)棉通道內(nèi)的纖維進(jìn)行模擬，得到不同天然氣流量下導(dǎo)棉通道內(nèi)玻璃纖維取向分布的結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

由圖6可以看到，玻璃纖維在氣流的作用下，從左到右飛行，經(jīng)過梯度導(dǎo)棉通道后最終從右端飛出，在梯度處流場(chǎng)環(huán)境發(fā)生變化，纖維飛行狀態(tài)也隨之受到影響，在最終出口處，大部分玻璃纖維沿導(dǎo)棉通道長(zhǎng)度方向飛出，但發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，少部分纖維偏轉(zhuǎn)角度較大。

圖6 玻璃纖維取向分布模擬圖

圖7是不同天然氣流速下纖維取向的平均概率分布，將模擬的纖維數(shù)據(jù)整理繪制出纖維取向平均概率分布圖，由圖可知，隨著天然氣流量從32 m3/h到36 m3/h，纖維角度越來越小，越趨近于氣流流動(dòng)方向。因?yàn)楫?dāng)天然氣氣流量較低時(shí)，紊流現(xiàn)象比較明顯，玻璃纖維取向分布較差，因此隨著天然氣氣流流量的增大，玻璃纖維角度越來越趨近于天然氣流動(dòng)方向；當(dāng)天然氣流量從36 m3/h到38 m3/h時(shí)，玻璃纖維角度有所變化，可能是氣流流速過快導(dǎo)致導(dǎo)棉通道內(nèi)湍流現(xiàn)象明顯，玻璃纖維在導(dǎo)棉通道內(nèi)易相互纏繞從而影響最終纖維的取向分布。

圖7 不同天然氣流速下玻璃纖維取向的平均概率分布

2.2 長(zhǎng)徑比對(duì)玻璃纖維取向分布的影響

圖8是不同長(zhǎng)徑比下纖維取向的平均概率分布，從圖中可見隨著長(zhǎng)徑比的減小，纖維取向趨向于平均分布，當(dāng)長(zhǎng)徑比為A=1時(shí)，取向完全等同概率分布，當(dāng)A＞10時(shí)，曲線幾乎重疊，此時(shí)變化長(zhǎng)徑比已經(jīng)對(duì)取向分布影響不大。這一結(jié)果可以解釋為：A=1相當(dāng)于圓球的情形，此時(shí)粒子已接近各向同性，所以取向分布是等概率的。在A＜10的范圍內(nèi)，隨著長(zhǎng)徑比的增大，平均速度梯度產(chǎn)生的力矩也逐漸增大，而脈動(dòng)速度的作用相對(duì)變小，所以纖維的軸向開始趨向于平行于流動(dòng)的方向，概率分布曲線的最大值和最小值之差也增大。當(dāng)A＞10以后，平均速度梯度的特征尺度也小于纖維的特征尺度，對(duì)纖維的作用已經(jīng)很弱，所以再增加長(zhǎng)徑比，纖維的取向分布基本不改變。本實(shí)驗(yàn)中制備的玻璃纖維長(zhǎng)徑比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10，根據(jù)模擬結(jié)果，最終的纖維取向認(rèn)為等同于A=60時(shí)的取向分布。

圖8 纖維懸浮流中不同長(zhǎng)徑比下纖維取向平均概率分布

2.3 不同通道對(duì)玻璃纖維取向分布的影響

本節(jié)選取不同的通道形狀對(duì)導(dǎo)棉通道內(nèi)的纖維進(jìn)行模擬，得到不同導(dǎo)棉通道形狀對(duì)導(dǎo)棉通道內(nèi)玻璃纖維取向分布的結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

由圖9可以看到，玻璃纖維在氣流的作用下，從左到右飛行，經(jīng)過導(dǎo)棉通道后最終從右端飛出，受流場(chǎng)影響，纖維產(chǎn)生不同角度的偏轉(zhuǎn)，矩形通道的纖維飛行狀態(tài)最佳。

圖9 不同通道內(nèi)纖維取向的分布模擬圖

圖10是不同導(dǎo)棉通道下纖維取向的平均概率分布，將模擬的纖維數(shù)據(jù)整理繪制出纖維取向平均概率分布圖，由圖可知，梯型的導(dǎo)棉通道最終得到的纖維取向在0°和180°擁有最大峰值，在這種形狀的導(dǎo)棉通道情況下，更多的纖維沿著氣流方向飛出，梯度型的導(dǎo)棉通道由于梯度的存在，使得流場(chǎng)變得復(fù)雜，纖維取向分布受到影響，而橢圓形的導(dǎo)棉通道最終的纖維取向在兩者之間。

圖10 不同導(dǎo)棉通道下纖維取向的平均概率分布

3 結(jié)論

本文采用PFC3D程序建立了導(dǎo)棉通道的數(shù)值模型并對(duì)通道內(nèi)纖維進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算了不同天然氣流量、纖維長(zhǎng)徑比和不同通道形狀對(duì)纖維取向分布的影響。并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)分析，主要得出以下結(jié)論：

（1）模擬結(jié)果表明，隨著天然氣流量從32 m3/h到36 m3/h，纖維角度越來越小，越趨近于氣流流動(dòng)方向；當(dāng)天然氣流量從36 m3/h到38 m3/h時(shí)，玻璃纖維角度有所變化，可知當(dāng)流量過小或過大時(shí)都會(huì)導(dǎo)致湍流現(xiàn)象嚴(yán)重，從而擾亂纖維的飛行狀態(tài)，而流場(chǎng)壓降對(duì)纖維取向分布的影響較小。當(dāng)天然氣流量為36 m3/h是取向最優(yōu)的情況。

（2）長(zhǎng)徑比對(duì)玻璃纖維取向分布的影響。ψ在0°和180°時(shí)有最大值，在90°有最小值，即纖維的軸向與流動(dòng)方向平行的概率最大、垂直的概率最小。當(dāng)長(zhǎng)徑比為A=1時(shí)，取向完全等概率分布；當(dāng)A＞10時(shí)，曲線幾乎重疊，此時(shí)變化長(zhǎng)徑比已經(jīng)對(duì)取向分布影響不大。實(shí)際生產(chǎn)中，纖維長(zhǎng)徑比很大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著長(zhǎng)徑比的增大，最終纖維分布的均勻性較差，玻璃纖維棉的均勻性也隨之下降。

（3）通道形狀對(duì)玻璃纖維取向分布的影響。對(duì)3種不同形狀的通道進(jìn)行模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)矩形通道和橢圓形通道的纖維取向分布都是較優(yōu)的，而梯度形通道使得流場(chǎng)變的復(fù)雜，纖維取向分布也較差，最終玻璃纖維棉的均勻性也隨之受到影響。