黏膠長(zhǎng)絲多層絲餅壓洗均勻性及其影響因素仿真研究

張 婷,李 俊*,胡云均,陳 曄,黃仁杰

(1.四川輕化工大學(xué),四川 自貢 643000;2.宜賓海絲特纖維有限責(zé)任公司,四川 宜賓 644000)

2021年,國(guó)內(nèi)黏膠纖維的產(chǎn)能已突破4 031 kt/a,其中黏膠長(zhǎng)絲憑借其強(qiáng)度高、耐磨、密度小、彈性好及優(yōu)異的可降解性受到國(guó)際市場(chǎng)的青睞,出口量同比增長(zhǎng)60.76%[1-4]。壓洗是黏膠長(zhǎng)絲卷繞成絲餅后的重要后處理工序,目的是洗滌絲條中附著的硫化物等,減少絲條黃斑的產(chǎn)生和保證絲條韌性,提高產(chǎn)品質(zhì)量[5]。多層分布式壓洗工藝因設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、效率高,一直沿用至今。分布式壓洗過(guò)程的均勻性和洗滌時(shí)間影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益。目前,因缺乏理論支撐,絲餅排布和洗滌時(shí)間的確定以經(jīng)驗(yàn)為主,制約了黏膠纖維產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量、智能化發(fā)展,開(kāi)展多層分布式壓洗過(guò)程洗滌均勻性及其影響因素、影響規(guī)律的研究對(duì)于優(yōu)化絲餅排布和洗滌時(shí)間的確定,保障分布式洗滌的均勻性至關(guān)重要。

滲透率是用來(lái)表征絲餅在壓洗過(guò)程中洗滌難易程度的一個(gè)參數(shù),直接決定了絲餅壓洗過(guò)程的效率和質(zhì)量[6]。H.CHO等[7]采用Boltzman網(wǎng)格法研究了纖維排列方式對(duì)滲透率的影響,發(fā)現(xiàn)重疊纖維的滲透率比非重疊纖維的滲透率提高了250%。何奎等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析研究了纖維管束內(nèi)流量分配不均勻程度隨組件入口風(fēng)速的變化規(guī)律,得出隨著入口速度的增大,管束內(nèi)的流量分配不均勻度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。方良超[9]釆用理論分析模型和實(shí)驗(yàn)方法分別研究了層間偏移對(duì)厚向滲透率的影響規(guī)律,結(jié)果顯示單向布的厚向滲透率的分布趨于正態(tài)分布,而0°/90°經(jīng)編織物小于6層時(shí),厚向滲透率的分布范圍較廣。對(duì)于絲餅的研究主要集中于外部缺陷的檢測(cè)。暢攀人等[10]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法替代了人工依靠肉眼和經(jīng)驗(yàn)檢測(cè)絲餅外觀的方式,減少了檢測(cè)人員數(shù)量。景軍鋒等[11]提出了一種機(jī)器視覺(jué)的算法對(duì)絲餅表面污漬、壓痕、起毛等缺陷進(jìn)行了精確的檢測(cè),結(jié)果表明該方法對(duì)缺陷具有較好的檢測(cè)效果,缺陷識(shí)別準(zhǔn)確率高、速度快。

目前,針對(duì)絲餅壓洗過(guò)程的流場(chǎng)分布規(guī)律和多層絲餅壓洗均勻性的研究鮮有述及。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,作者根據(jù)黏膠長(zhǎng)絲企業(yè)的M155型絲餅壓洗車(chē)實(shí)際情況,以水為洗滌介質(zhì),基于Fluent仿真建立絲餅壓洗模型,重點(diǎn)對(duì)長(zhǎng)絲線(xiàn)密度、絲餅內(nèi)徑(ds)和凸臺(tái)孔徑(dk)3個(gè)主要參數(shù)對(duì)多層絲餅壓洗均勻性的影響進(jìn)行模擬研究,以期為黏膠長(zhǎng)絲絲餅壓洗的優(yōu)化布置、洗滌效果和洗滌效率的提升提供支撐。

1 黏膠長(zhǎng)絲絲餅壓洗工藝

在黏膠長(zhǎng)絲生產(chǎn)中,絲餅壓洗工序由水洗、除鋅、脫硫、除雜、漂白等組成[5],絲餅壓洗工藝流程如圖1所示。

圖1 絲餅壓洗工藝流程Fig.1 Press washing process for yarn packages1—壓力表;2—絲餅;3—托盤(pán);4—水箱;5—蓄水池;6—泵

在壓洗工藝中,將絲餅從下往上依次疊放在壓洗車(chē)托盤(pán)上,洗滌介質(zhì)以一定的壓力從壓洗車(chē)下端經(jīng)托盤(pán)孔注入絲餅的內(nèi)腔,壓洗車(chē)頂部封閉,使洗滌介質(zhì)以壓力滲透的形式從絲餅內(nèi)腔向外側(cè)滲出,壓洗過(guò)程中保持頂部壓力不變,從而達(dá)到洗滌絲餅的目的。

2 絲餅壓洗模型的建立

2.1 幾何模型

黏膠長(zhǎng)絲絲餅的幾何模型如圖2所示,絲餅外徑為170 mm,內(nèi)徑為(120±10) mm,高度為130 mm。

圖2 絲餅的幾何模型Fig.2 Geometric modeling of yarn packages

M155型絲餅壓洗車(chē)共11層,每層有84個(gè)絲餅,經(jīng)空車(chē)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),流體自壓洗車(chē)底部水箱流入各列絲餅的流速相等,因此選取其中一列絲餅進(jìn)行研究。結(jié)合數(shù)值計(jì)算的實(shí)際需求,對(duì)絲餅壓洗幾何模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化和假設(shè)：(1)各層絲餅的結(jié)構(gòu)尺寸及性能參數(shù)均相同;(2)將絲餅視為中空的圓筒模型,且絲餅壓洗過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化不予考慮;(3)忽略溫度對(duì)流場(chǎng)的分布規(guī)律和絲餅滲透性能的影響;(4)忽略壓洗過(guò)程中絲餅中所含物質(zhì)對(duì)流體的濃度、密度和黏性等參數(shù)的影響,符合Boussinesq假設(shè)[12];(5)忽略壓洗過(guò)程中絲餅孔隙率和滲透性能的變化,且絲餅內(nèi)部各個(gè)方向的阻力相同。

基于上述簡(jiǎn)化,多層分布式絲餅壓洗幾何模型如圖3所示。采用ICEM軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格數(shù)量分別為147×104、228×104和335×104,相比于網(wǎng)格數(shù)量335×104,網(wǎng)格數(shù)量為228×104的誤差僅有0.16%。為了減少計(jì)算量,本研究選用網(wǎng)格數(shù)量為228×104進(jìn)行分析。

《指南》中提出，幼兒早期數(shù)學(xué)認(rèn)知能力的發(fā)展包含了對(duì)集合、量、數(shù)、時(shí)間/空間、形狀的認(rèn)知的發(fā)展。《幼兒園教育指導(dǎo)綱要》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《綱要》）也明確要求：“引導(dǎo)幼兒對(duì)周?chē)h(huán)境中的數(shù)、量、形、時(shí)間和空間等現(xiàn)象產(chǎn)生興趣，建構(gòu)初步的數(shù)概念，并學(xué)習(xí)用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方法解決生活和游戲中某些簡(jiǎn)單的問(wèn)題?！苯Y(jié)合幼兒的學(xué)習(xí)特征與心理發(fā)展特點(diǎn)，幼兒數(shù)學(xué)教學(xué)活動(dòng)可從集合、量、時(shí)間/空間、數(shù)、形狀五方面著手，在教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)活動(dòng)、教學(xué)實(shí)施過(guò)程中滲入生活化理念，讓幼兒在親自操作與探索中感受數(shù)學(xué)的魅力，從而激發(fā)幼兒學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的好奇心、求知欲，不斷提高幼兒學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的興趣，最終能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方法解決生活中的簡(jiǎn)單問(wèn)題。

圖3 絲餅壓洗三維幾何模型Fig.3 Three dimensional geometric modeling of press washing process for yarn packages1—托盤(pán);2—凸臺(tái)1(2-11層);3—絲餅;4—凸臺(tái)2(第1層)

2.2 多孔介質(zhì)模型

由于絲餅具有多孔介質(zhì)的特征,本研究中采用多孔介質(zhì)模型。多孔介質(zhì)模型是定義一個(gè)多孔介質(zhì)區(qū)域,設(shè)置該區(qū)域的孔隙率和流體的流動(dòng)阻力和慣性阻力系數(shù)?？紫堵实拇笮≡跀?shù)值上等于多孔物體內(nèi)微小孔隙的體積與整個(gè)物體總體積的比值,孔隙率越大,說(shuō)明多孔介質(zhì)內(nèi)部的空隙越多,流體通過(guò)該處越容易;反之則排列越緊密,流體通過(guò)多孔介質(zhì)所受的阻力越大[13]?？紫堵实挠?jì)算見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：ε為孔隙率(無(wú)量綱),Vk為多孔介質(zhì)的孔隙體積,Vg為多孔介質(zhì)固體骨架的體積,Vz為多孔介質(zhì)的總體積。

從理論上講,多孔介質(zhì)模型是在動(dòng)量方程的右側(cè)增加一個(gè)動(dòng)力源項(xiàng)[14-16]。源項(xiàng)包括黏性損失和慣性損失[16],其表達(dá)式見(jiàn)式(2)。

(2)

式中：Si表示i向(i為x,y,z)的動(dòng)量源項(xiàng),|v|為速度大小,μ為流體動(dòng)力黏性系數(shù),ρ為流體密度,vj為三個(gè)方向上的分速度,Dij、Cij為矩陣。

當(dāng)多孔介質(zhì)內(nèi)部各個(gè)方向同性質(zhì)時(shí)[13],則有式(3)。

(3)

式中：α為滲透性系數(shù),C2為慣性阻力系數(shù),vi為三個(gè)方向上的分速度。

流體在絲餅內(nèi)腔中的流動(dòng)狀態(tài)為湍流,在絲餅內(nèi)為層流流動(dòng),則有式(4)。

(4)

式中：?p為流體流過(guò)絲餅前后的壓強(qiáng)差,Dp為黏膠長(zhǎng)絲絲條的直徑,L為濾層厚度,v∞為過(guò)濾速度。

(5)

(6)

2.3 均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)

多層絲餅在壓洗過(guò)程中由于流體的流動(dòng)損失,各層絲餅內(nèi)腔中的壓力會(huì)不同,導(dǎo)致各層絲餅的透液量存在差異,使得相同時(shí)間內(nèi)各層絲餅的洗滌程度不同,輕度不均勻會(huì)導(dǎo)致絲餅的壓洗時(shí)間延長(zhǎng)和生產(chǎn)效率降低,而嚴(yán)重不均勻會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量的降低,從而影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此,壓洗均勻性主要是指各層絲餅的平均透液量相等。參考文獻(xiàn)[17]中的流場(chǎng)均勻性評(píng)價(jià)方法,選取絲餅的出口流量標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)(Cq)來(lái)表征絲餅壓洗過(guò)程中的洗滌均勻程度,Cq越大,表示洗滌均勻程度越差,其計(jì)算見(jiàn)式(7)。

(7)

(8)

3 結(jié)果及討論

3.1 單因素對(duì)多層絲餅壓洗均勻性的影響

3.1.1 線(xiàn)密度

設(shè)定絲餅ds為116 mm、凸臺(tái)dk為28 mm等模擬條件不變,長(zhǎng)絲線(xiàn)密度分別選取133,267,333,500,667 dtex,經(jīng)水力直徑法計(jì)算得到各線(xiàn)密度下的絲條直徑分別為63,88,100,124,141 μm,不同長(zhǎng)絲線(xiàn)密度下絲餅壓洗過(guò)程中各層絲餅的qi和壓洗均勻性變化如圖4和圖5所示。

圖4 不同線(xiàn)密度下絲餅的qi與n的關(guān)系Fig.4 Relationship between qi and n of yarn packages under different linear density■—133 dtex;●—267 dtex;▲—333 dtex;▼—500 dtex;◆—667 dtex

圖5 不同線(xiàn)密度下絲餅的壓洗均勻性Fig.5 Press washing uniformity of yarn packages with different linear density

由圖4和圖5可以看出：在一定線(xiàn)密度下,qi隨著壓洗層數(shù)的增加而減小,且整體變化趨勢(shì)呈單調(diào)遞減,原因是流體在流動(dòng)過(guò)程中存在流動(dòng)損失,導(dǎo)致絲餅內(nèi)腔中的壓力逐漸降低,絲餅內(nèi)外壓差減小;線(xiàn)密度越大,絲線(xiàn)間的間隙越大,絲餅的阻力系數(shù)越小,致使流體大量從底部絲餅流出,使得頂部絲餅的qi(i為5,6,…11)越小,當(dāng)線(xiàn)密度為667 dtex時(shí),q1最大,為0.441 m3/h,而q11最小,為0.05 m3/h;線(xiàn)密度越大,絲餅在壓洗過(guò)程中的Cq越大,致使絲餅的壓洗均勻性越差。因此,實(shí)際生產(chǎn)中可將線(xiàn)密度小的絲餅置于壓洗車(chē)下層,線(xiàn)密度大的絲餅置于壓洗車(chē)上層,有助于提高絲餅的壓洗效果。

3.1.2 絲餅ds

設(shè)定長(zhǎng)絲線(xiàn)密度為267 dtex、凸臺(tái)dk為28 mm等模擬條件不變,絲餅ds分別選取112,116,120,124,128 mm,所對(duì)應(yīng)的絲餅孔隙率分別為0.44、0.41、0.37、0.33、0.27,不同絲餅ds下絲餅壓洗過(guò)程中各層絲餅的qi和壓洗均勻性變化如圖6和圖7所示。

圖6 不同ds下絲餅的qi與n的關(guān)系Fig.6 Relationship between qi and n of yarn packages under different ds■—112 mm;●—116 mm;▲—120 mm;▼—124 mm;◆—125 mm

由圖6和圖7可以看出：qi隨著壓洗層數(shù)的增加而減小,整體變化趨勢(shì)呈單調(diào)遞減,且ds越大,頂部絲餅的qi(i為5,6,…11)越大,這是由于所有絲餅的質(zhì)量相等,且外徑和高度受離心罐影響保持不變,當(dāng)ds越大,絲餅的致密程度越大,孔隙率越小,流體流經(jīng)絲餅時(shí)所受的阻力越大,導(dǎo)致底部絲餅的qi(i為1,2,3)減少,而頂部絲餅的qi增大;當(dāng)ds從112 mm增大至128 mm時(shí),q1從0.351 m3/h降低至0.216 m3/h,Cq從62.47%減小至24.53%,顯然,絲餅ds越大,絲餅在壓洗過(guò)程中的Cq越小,絲餅的壓洗均勻性越好。因此,實(shí)際生產(chǎn)中在絲餅卷繞時(shí)可以適當(dāng)?shù)靥岣唠x心罐的轉(zhuǎn)速,使絲餅纏繞更緊密,有助于提高多層絲餅的壓洗均勻性。

3.1.3 凸臺(tái)dk

設(shè)定長(zhǎng)絲線(xiàn)密度為267 dtex、絲餅ds為116 mm等模擬條件不變,由于托盤(pán)開(kāi)孔為40 mm,且凸臺(tái)為嵌入式結(jié)構(gòu),因此,分別取凸臺(tái)dk為20,24,28,32,36 mm,不同凸臺(tái)dk下絲餅壓洗過(guò)程中各層絲餅的qi和壓洗均勻性變化如圖8和圖9所示。

圖8 不同dk下絲餅的qi與n的關(guān)系Fig.8 Relationship between qi and n of yarn packages under different dk■—20 mm;●—24 mm;▲—28 mm;▼—32 mm;◆—36 mm

圖9 不同dk下絲餅的壓洗均勻性Fig.9 Press washing uniformity of yarn packages under different dk

從圖8和圖9可以看出：qi隨著壓洗層數(shù)的增加而減小,呈單調(diào)遞減的變化趨勢(shì),且凸臺(tái)dk越大,頂部絲餅的qi(i為5,6,…11)越大,原因是凸臺(tái)處的流場(chǎng)可以等效為先突擴(kuò)后突縮的過(guò)程,而能量損失系數(shù)隨著孔徑比的增大而逐漸減小[18],故凸臺(tái)dk越大,孔徑比越大,凸臺(tái)處的能量損失越小,流體越容易進(jìn)入上層絲餅;當(dāng)凸臺(tái)dk為20 mm時(shí),q1最大,為0.428 m3/h,而q11最小,為0.036 m3/h,顯然,dk越小,各層絲餅透液量的偏差越大,而dk越大,各層絲餅透液量的偏差反而越小,故增大凸臺(tái)dk可降低多層絲餅在壓洗過(guò)程中的Cq,提高絲餅的壓洗均勻性。因此,在黏膠長(zhǎng)絲多層絲餅實(shí)際壓洗過(guò)程中,將絲餅洗滌的均勻性控制在一定范圍內(nèi)的同時(shí)要保證嵌入式凸臺(tái)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,綜合考慮選擇凸臺(tái)dk最大為36 mm較為合適。

3.2 多因素對(duì)多層絲餅壓洗均勻性的影響

3.2.1 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了研究長(zhǎng)絲線(xiàn)密度(A)、絲餅ds(B)和凸臺(tái)dk(C)3個(gè)影響因素對(duì)絲餅壓洗過(guò)程中洗滌均勻性的影響程度,采用正交試驗(yàn)方法,將上述3個(gè)因素選取5個(gè)水平進(jìn)行L25(53)正交試驗(yàn),各因素水平見(jiàn)表1。

表1 正交試驗(yàn)因素水平Tab.1 Orthogonal experimental factor level

3.2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交試驗(yàn)L25(53),不同試驗(yàn)得到的多層絲餅壓洗過(guò)程中的Cq模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可知：線(xiàn)密度、絲餅ds和凸臺(tái)dk3個(gè)因素的極差(R)分別為36.783、35.736和58.559,這說(shuō)明在絲餅壓洗過(guò)程中凸臺(tái)dk對(duì)多層絲餅壓洗均勻性的影響最大,然后依次是線(xiàn)密度、絲餅ds;多層絲餅壓洗均勻性較好的因素水平組合分別為A1、B5、C5,即當(dāng)長(zhǎng)絲線(xiàn)密度為133 dtex、絲餅ds為128 mm、凸臺(tái)dk為36 mm時(shí),多層絲餅壓洗過(guò)程中的Cq最小,為4.62%。因此,在實(shí)際壓洗工藝中,可主要通過(guò)改變壓洗車(chē)各層凸臺(tái)dk來(lái)提高多層絲餅的壓洗均勻性。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Orthogonal experimental results

4 結(jié)論

a.在黏膠長(zhǎng)絲多層絲餅壓洗過(guò)程中,各層絲餅的qi隨著壓洗層數(shù)的增加而減小,整體變化趨勢(shì)呈單調(diào)遞減。

b.絲餅壓洗過(guò)程中的Cq隨線(xiàn)密度的增加而增大,隨絲餅ds和凸臺(tái)dk的增大而減小。實(shí)際生產(chǎn)中,可將線(xiàn)密度小的絲餅置于壓洗車(chē)下層,線(xiàn)密度大的絲餅置于壓洗車(chē)上層,在絲餅卷繞時(shí)可以適當(dāng)?shù)靥岣唠x心罐的轉(zhuǎn)速,適當(dāng)增大凸臺(tái)dk,可降低多層絲餅在壓洗過(guò)程中的Cq,提高絲餅的壓洗均勻性。

c.正交試驗(yàn)結(jié)果表明：線(xiàn)密度、絲餅ds、凸臺(tái)dk3個(gè)因素的R分別為36.783、35.736、58.559,對(duì)多層絲餅壓洗均勻性影響的主次順序依次為凸臺(tái)dk、絲餅ds、線(xiàn)密度;當(dāng)長(zhǎng)絲線(xiàn)密度為133 dtex、絲餅ds為128 mm、凸臺(tái)dk為36 mm時(shí),多層絲餅的壓洗均勻性較好,Cq為4.62%。