熔噴氣體湍流與纖維運動的規(guī)律比較

中圖分類號：TS171;TS151 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1009-265X（2025）05-0022-07

在全球2019年新型冠狀病毒感染（COVID-19）疫情期間，作為口罩核心材料的熔噴非織造布成為關(guān)鍵物資，熔噴技術(shù)也得到了前所未有的關(guān)注。由于熔噴非織造布中的纖維細度處于微米級[1]，使其不僅在過濾、保暖、電池隔膜、組織工程等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[2-3]，而且在合成革基材[4]、油水分離工程以及海洋石油泄漏[5]等領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。

聚合物熔體在氣流中的牽伸成型機理是熔噴研究的重要分支，對于噴嘴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計以及產(chǎn)品質(zhì)量控制等方面有重要意義。Uyttendaele等用“解析法”建立了聚合物定常特性的拉伸模型。Chen等在此基礎(chǔ)上考慮了溫度對熔體的影響因素，建立了更新模型。Sun等8建立了熔噴纖維的“Lagrange”力學(xué)模型，模擬了熔噴纖維在氣流作用下的拉伸過程。Sinha-rays等9考慮了熔體的波動性，建立了纖維拉伸的準(zhǔn)一維模型。以上研究模型都是建立在定常氣流場基礎(chǔ)上，值得注意的是，熔噴過程中的氣體雷諾數(shù)會超過100萬[10]，熔噴氣流應(yīng)屬于非穩(wěn)態(tài)湍流，因此建立在氣體湍流基礎(chǔ)上的纖維紡絲動力學(xué)是熔噴力學(xué)研究的必經(jīng)之路。

截至目前，對熔噴氣流的研究集中圍繞在穩(wěn)態(tài)氣流場，如采用雷諾平均納維-斯托克斯（Reynolds-AveragedNavier-Stokes，RANS）方法數(shù)值模擬V型狹槽[11]、環(huán)型狹槽[12]和螺旋型[13]熔噴氣流場，或者采用畢托管和熱電偶測量氣流的時均速度[14]相比之下，非穩(wěn)態(tài)氣流場的研究較少，在近幾年僅有少量工作涉及到熔噴過程中的非穩(wěn)態(tài)氣流場，如溫度脈動、速度脈動[15-16] 。

在目前熔噴非穩(wěn)態(tài)氣流場研究不充分的背景下，本文采用數(shù)值模擬和實驗驗證的方法，對熔噴狹槽型噴嘴的氣體湍流進行研究，對比分析氣體湍流特征與紡絲過程中纖維運動特征之間的關(guān)系。研究結(jié)果可為建立纖維在非穩(wěn)態(tài)氣體湍流下的拉伸動力學(xué)模型提供一定的借鑒

數(shù)值模擬

1. 1 流場模型與網(wǎng)格劃分

狹槽型熔噴的示意圖如圖1（a）所示。聚合物熔體在交匯氣流的吹噴作用下，形成超細纖維。本文用到的噴嘴屬于鈍鼻尖狹槽型噴嘴[17]，氣槽寬度為 0.5mm ，氣槽與垂直方向夾角為 30^° ，聚合物的噴絲孔徑為 0.5mm ，鼻尖寬度為 1.28mm 。

數(shù)值模擬采用Ansysfluent2022R1 商業(yè)軟件。因為沿著幅寬方向的熔噴氣流場具有重復(fù)相似性，二維流場特點能夠表達三維流場的典型特征[8]，因此本文采用二維模型對氣流場進行數(shù)值模擬。氣流場模型和網(wǎng)格分區(qū)如圖1（b）所示， A-N 表示各拐點，模型入口區(qū)域長度為 5mm ，噴射區(qū)模型為一個上底為 5mm 、下底為 30mm 高為 50mm 的等腰梯形，這個漸擴模型結(jié)構(gòu)符合噴射擴散流的基本演變特點[18]

在網(wǎng)格劃分中，考慮到噴嘴下方兩股氣流的交匯處是熔噴氣流場研究的核心區(qū)域，因此采用梯度網(wǎng)格對模型進行分區(qū)劃分，如圖1（b）所示，噴射區(qū)I、噴射區(qū)Ⅱ和噴射區(qū)Ⅲ的網(wǎng)格尺寸分別為0.02、0.05mm 和 0.10mm ，總網(wǎng)格數(shù)為435724，具有比Jia 等[]在熔噴數(shù)值模擬工作中更小的網(wǎng)格尺寸，能夠保證計算精確性。

1. 2 邊界條件與湍流模型

設(shè)置圖1（b）模型中的A-B和C-D為速度入口，E/-F/-A，B/-G/-H/-C 和 D/-I-J 為非滑移壁面， E -M-N-J為壓力出口。在模擬中，人口速度分別為20、70、119m/s 和 166m/s 。

湍流模型采用分離渦模擬（Detached EddySimulation，DES）方法，DES兼具RANS方法的高效率與大渦模擬（LargeEddySimulation，LES）的高精度[19]?？梢栽谳^小的計算量下，保證較高的計算精度[20]。其控制方程為：

式中： 為與渦黏性有關(guān)的變量； k 為卡門常數(shù) ?f_t 、 為方程所需要的不同函數(shù)； 為方程所需常數(shù); U_j 為速度； x_ix_j 為坐標(biāo); Ω 為渦量張量不變量； μ 為動力黏性系數(shù)。又有：

式中： d_w 為壁面距離； ，為網(wǎng)格間距的最大值; C_DES 為交界面系數(shù) ;f 為DES方法的開關(guān)函數(shù)，其表達式為：

DES模型在選擇性調(diào)用RANS和LES模型時的控制邏輯為：在靠近壁面區(qū)域 f=0 ，調(diào)用RANS模式進行計算；在遠離壁面的區(qū)域 f=1 ，切換為LES模式。

2 實驗

2.1 粒子成像測速實驗

利用粒子圖像測速儀（德國ILA公司）測量熔噴氣體湍流，粒子成像測速儀測量熔噴氣流的示意如圖2所示，采用平均直徑為 0.3μm 的二氧化鈦作為示蹤粒子混雜在入口氣流中，同步器控制脈沖激光器和CCD相機同時啟動，二氧化鈦粒子流在平面脈沖激光束背景下會形成可視化圖像，相機每間隔 60μs 拍攝生成一對圖片，系統(tǒng)軟件通過分析二氧化鈦粒子流在 60μs 中的位移變化，計算出空間的氣體速度分布信息[21]

2.2 高速攝像實驗

本文采用單孔熔噴機進行纖維紡絲，原料為熔噴專用聚丙烯（煙臺華大科技有限公司），其熔融指數(shù)為 1500g/10min ，紡絲溫度為 240^°C 。入口氣流采用氣體流量計（北京七星華創(chuàng)流量計有限公司）控制輸入，氣體流量范圍為 10～75slm 之間。在紡絲過程中的纖維軌跡由高速攝像機進行捕捉（美國Redlake公司），攝像速度為 3000fps 。

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)值模擬的湍流特征分析

不同入口速度條件下的湍流速度場分布如圖3（a）—（d）所示，圖3（e）—（h）分別為圖3（a）—（d）在噴嘴附近核心區(qū)域的局部放大。如圖3（a）和圖3（e）所示，在入口速度為 20m/s 的低速條件下，從氣槽噴出的兩股氣流在交匯處未出現(xiàn)明顯的不穩(wěn)定性現(xiàn)象，隨著射流向下推進，噴射氣流與周圍靜止空氣不斷碰撞逐漸失穩(wěn)。如圖3（b）和圖3（f）所示，隨著氣流人口速度提高到 70m/s ，氣流在交匯點處開始出現(xiàn)湍流的不穩(wěn)定現(xiàn)象，相比 20m/s 的入口速度，其不穩(wěn)定位置明顯上移并靠近噴嘴。如圖3（c）和圖3（g）所示，當(dāng)入口速度繼續(xù)提高至 119m/s 時，氣流的不穩(wěn)定起點位置更加靠近噴嘴表面，氣流擺動現(xiàn)象出現(xiàn)在兩股氣流交匯的三角區(qū)內(nèi)，并且展現(xiàn)出穩(wěn)定的重復(fù)性規(guī)律。如圖3（d）和圖3（h）所示，當(dāng)入口速度為 166m/s 時，湍流的擺動運動規(guī)律與入口速度為 119m/s 時的規(guī)律類似。以上現(xiàn)象說明隨著氣流人口速度的逐步提高，湍流的不穩(wěn)定性出現(xiàn)位置向噴嘴靠近，當(dāng)入口速度達到臨界值后，氣流在交匯三角區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)重復(fù)性湍流擺動，并且在更高的入口速度條件下，氣流能夠保持這種擺動運動規(guī)律。

在氣體湍流擺動的循環(huán)過程中，左右兩個極限狀態(tài)的速度云圖如圖4所示。圖4（a）為左側(cè)極限位置處的湍流速度分布，圖4（b）為右側(cè)極限位置處的湍流速度分布。結(jié)合圖4，熔噴過程中湍流的擺動可以表述為：從氣槽中噴出的兩股氣流具有“博弈\"性，兩股氣流之間的“博弈”優(yōu)勢（劣勢）具有周期性變化特點，導(dǎo)致左右兩股氣流分別周期性占有主導(dǎo)作用，在宏觀湍流態(tài)上表現(xiàn)出兩個極限狀態(tài)之間來回往復(fù)的變化。

為了對氣體湍流擺動的往復(fù)頻率進行測量，在數(shù)值模擬過程中，在兩股氣流交匯點（ x=0mm，z= 1.75mm ）處設(shè)置為觀測點，并通過采集觀測點上的橫向氣流速度 v_x 隨時間的變化來計算湍流擺動頻率。圖5為在0.005s時間段內(nèi)檢測點上橫向速度v_x 的變化曲線?？梢钥闯鲭S著人口速度的逐步提高， v_x 的正負值交替頻率隨之提高，這說明熔噴湍流的擺動往復(fù)頻率會隨著人口速度的提高而增加。經(jīng)計算，在 20～166m/s 的入口速度范圍內(nèi)，湍流擺動頻率處于 200～1500Hz 。從圖5中還可以看出，隨著入口速度的增加， v_x 的極值也逐步增大，表明湍流的不穩(wěn)定強度與入口氣流速度呈正相關(guān)。

3.2 湍流的實驗驗證

圖6為粒子成像測速儀測量得到的熔噴非穩(wěn)態(tài)氣流的空間分布。從圖6中可以看出，氣流在從兩側(cè)氣槽噴出后，便開始產(chǎn)生明顯的“S”型曲面形態(tài)，隨著噴射氣流與周圍靜止空氣不斷碰撞，界面摩擦力會使得氣體射流表面產(chǎn)生渦的轉(zhuǎn)捩，形成分散小渦并逐漸擴散衰減，這驗證了數(shù)值模擬得到的氣流具有不穩(wěn)定性特征，

圖7為不同時刻的氣體瞬時速度沿中心線（z軸）的分布。在不同時刻，氣流速度的分布有明顯波動，再次體現(xiàn)了熔噴過程中氣體的湍流不穩(wěn)定特性。如圖7所示，盡管不同時刻的氣流速度分布曲線有明顯波動，但是平均速度的分布還是具有先增大后減小的趨勢，具體來說，在距離噴嘴 5mm 范圍內(nèi)，氣流平均速度先急劇增加到最大值，然后逐漸下降，在距離噴嘴越遠的區(qū)域，速度下降趨勢越緩慢，這與前人對熔噴平均速度測量所得到結(jié)論相一致[14-15]

3.3 纖維運動特征

圖8為高速攝像捕捉到的纖維運動軌跡。如圖8（a）所示，在低氣流量條件下（ 15slm^? ），纖維幾乎直線下墜，未產(chǎn)明顯的彎曲。如圖8（b）所示，在氣流量增加到 30slm 時，纖維出現(xiàn)明顯的彎曲不穩(wěn)定現(xiàn)象，但是噴嘴下方的氣流三角區(qū)范圍內(nèi)未出現(xiàn)鞭動。如圖8（c）所示，隨著氣流量提高到 55slm ，纖維在噴嘴下方出現(xiàn)鞭動運動現(xiàn)象。如圖8（d）所示，隨著入口的氣體流量繼續(xù)增加纖維呈現(xiàn)愈發(fā)劇烈的鞭動運動規(guī)律。這與上文中數(shù)值模擬得到的氣體湍流運動規(guī)律相吻合。

圖9為纖維擺動點沿著橫向（ x 方向）的位置隨著時間變化的規(guī)律。圖9所示的纖維擺動點位置變化分布與圖5數(shù)值模擬得到的氣體湍流擺動頻率具有相似性。隨著入口氣流流量的逐漸增加，纖維的橫向往復(fù)鞭動頻率逐步提高。通過統(tǒng)計圖9中時間段內(nèi)的曲線周期數(shù)，計算得到纖維的鞭動頻率在100～1000Hz 范圍，這與數(shù)值模擬得到的不穩(wěn)定氣體擺動頻率基本處于同一區(qū)間內(nèi)。通過以上規(guī)律可以推測，在熔噴過程中，熔體從噴絲孔被擠出后，在交互擺動的非穩(wěn)態(tài)氣流場的驅(qū)動下產(chǎn)生鞭動運動，這是熔噴纖維鞭動的力學(xué)根源。隨著纖維的繼續(xù)下落，所在區(qū)域的氣體左右交互擺動態(tài)消失，取而代之的是速度較弱的無序湍流區(qū)，纖維不再產(chǎn)生新的鞭動，這與Xie等[22]得出的熔噴纖維運動結(jié)論相吻合。

4結(jié)論

本文利用分離渦模型的數(shù)值模擬方法對熔噴狹槽型噴嘴的氣體湍流進行了研究，將模擬的結(jié)果與粒子測速技術(shù)得到的結(jié)果以及高速攝像的結(jié)果進行比對，得到了以下主要結(jié)論：

a）熔噴過程中的氣流場符合高雷諾數(shù)條件下的湍流特征。b）隨著氣流入口速度的逐步提高，熔噴氣流的不穩(wěn)定起點位置距噴嘴的距離逐步減小。c）當(dāng)氣流入口速度達到臨界值時，氣體湍流會發(fā)展成規(guī)律明確的擺動運動形態(tài)，而且擺動頻率與入口速度呈正相關(guān)。d）隨著入口氣流速度的逐漸提高，纖維由弱且不穩(wěn)定的軌跡逐步發(fā)展成為具有穩(wěn)定規(guī)律的鞭動態(tài)，且纖維鞭動頻率與氣體湍流的擺動頻率范圍在同一數(shù)量級區(qū)間。

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Comparison of characteristics of melt blown air turbulence and fiber movement

CHEN Xinyu'， XIE Sheng2 （1.College of Textile Scienceand Engineering（International Institure of Silk），Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310O18， China; 2. College of Material and Textile Engineering， Jiaxing University，Jiaxing 314001，China）

Abstract： In melt blown process，the airflow plays a crucial role in the process of superfine fiber formation. Numerous previous theoretical models have emerged on fiber stretch mechanism.However，these models are based on the steadyair flow.In contrast，the melt blown airflow is characterized by unsteady turbulence with a high Reynolds number. To further explore the stretching mechanism of the polymer fiber during melt blown process，the unsteady characteristics of the air turbulence in melt blowing were explored.The characteristics of melt blown air turbulence were numericaly simulated by using the detached eddy simulation （DES） model. Subsequently，the melt blown air turbulence was measured experimentally by particle imaging velocimetry （PIV）and the experimental results werecompared and verified against the numerical simulation results.Finall，the fiber path in the spinning process of melt blowing was captured by high-speed photography technology，and the fiber path was compared with air turbulence.

The results showed that，as the inlet air velocity gradually increased，the instability of air turbulence appeared closer to the face of melt blown die.When the inlet velocity reached acritical value，aregular and obvious turbulentoscilation phenomenon appeared in the triangle area of airre-circulation.The characteristic of air oscilltioncanbe describedasthat airoscillatesfromleftsideof thelimitposition totheright sidelimit position and then turns back to the left limit position，and form arepeating cycle.It showed thatthe oscilationstillmaintained evenat inlet velocityconditions higher than thecritical level.Inaddition，the frequencyof the alternating positive and negative values of lateral velocity increasedwith the increase of the inlet air velocity.The particle image velocimetry showed that the\"S\"-shaped air turbulence profile emerged below theair slots，which was consistent withthe characteristicsof turbulent fluctuation discovered by the numerical simulation.Moreover，the fiber paths during melt blown process under differentinlet flowconditions showed that，when the inlet air flow rate gradually increased，the fiber gradually losed stability and developed into aregular \"whipping\" state trajectory.Ata higher inlet flow rate，the fiber stillhadthe characteristics of \"whipping\"，butthe whipping became more violent.The results obtained by high-speed photography were similar with the law of air turbulence oscilation simulated by DES model，and the frequency of turbulent oscilltion was the same order of magnitude as that of fiber whipping.

This work explored the air turbulence and fiber motion in blunt die melt bowing by using approaches of numerical simulationand experiment.Itverified that theair flow in the melt blowing isobvious turbulent.The characteristics of air turbulenceand fiber motion were similar.It showed thatboth air turbulenceand fiber have obvious \"whipping\" pattrn movements.This work illustrates the potential relationship between air turbulence and fiber movement，and reveals that the further exploring of fiber stretching mechanism should take the characteristic of air turbulence into the spinning process.

Keywords： melt blowing; air turbulence; blunt spinneret; gas whipping; fiber movement