水刺加固噴嘴高速噴射流場的數值模擬及驗證

趙 博

(中原工學院,河南 鄭州 450007)

水刺非織造工藝又稱為射流噴網或水力纏結工藝,是一種非織造布加工技術,近年來發展較快[1-2]。水刺加固噴嘴作為水刺非織造布工藝的核心組件,其作用是將高能量水流轉換成高速、微細、集束水針作用于纖維網,實現纖維網的纏結加固[3],因此,對水刺加固噴嘴高速噴射流場進行研究,揭示水刺加固噴嘴高速噴射水流對聚合物纖維的水力纏結加固機理非常有必要。

速度是水刺加固噴嘴高速噴射流場最重要的特征參數之一,其測量除了包括某一點的速度大小和方向,還包括局部或整個流場的速度分布,因此,準確獲取流場的速度場難度較大, 測量儀器不僅需要較高的準確度、精確度, 而且還要具有很好的響應特性[4]。

流場模擬是研究流體運動規律及進行流體設備設計的一項非常關鍵的技術手段[5-6],可以對流場內部的壓力分布、速度變化、溫度場及流體之間的相互作用等情況進行數值計算,且無需進行實際的物理試驗,目前已廣泛應用于化工化纖、航空航天、汽車、船舶、風力發電等許多領域,已經成為現代流體工程研究不可或缺的工具。

作者以水刺加固噴嘴高速射流對聚合物纖維進行水力纏結加固成形的過程為研究對象,通過建立水刺加固噴嘴噴射流場理論模型,經過數值模擬和實驗測試等,研究了流體在水刺加固噴嘴高壓射流場作用下的運動特征。

1 水刺非織造布工藝原理

水刺法是利用水刺加固噴嘴高速射流對纖維進行水力纏結加固的一種非織造加工技術,水刺工藝流程見圖1。

圖1 水刺工藝流程示意Fig.1 Schematic diagram of spunlace process1—動態水腔;2—均流腔;3—密封腔;4—噴水板;5—纖維網;6—輸網簾;7—滾筒;8—密封裝置;9—真空吸水箱

纖網經由托網簾進入到水刺區后,高壓水流形成連續的“水針”,水針呈圓柱狀,經水刺頭、水針板垂直的射向纖網;在這個過程中,纖維從表面被水針帶入網底,并形成纏結;水針穿透后形成不同方向的反射,使得纖網受到不同方向水針的穿射,因此,纖網在整個水刺的過程中受到正反面水柱的雙重作用,形成方向不同的纏結,這種纏結是無規則的,達到了加固的作用,從而形成水刺非織造布[7]。

由于水刺非織造布設備高壓水腔內部噴嘴的水流具有較高的壓力,通常在3～60 MPa,并且流動區域呈不規則形狀,因此,水腔內噴嘴的流場流動明顯為湍流流動。

2 水刺加固噴嘴噴射流場模型

水刺加固噴嘴噴射流場理論模型由控制方程(連續方程、動量方程、能量方程)、輸運方程及邊界條件組成[8]。

2.1 控制方程

根據水刺加固噴嘴三維噴射流場的特點,當考慮瞬態項時,連續方程見式(1),x方向的動量方程見式(2)、y方向的動量方程見式(3),能量方程見式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:ρ為流體密度,t為時間點,u為x方向的流動速度,v為y方向的流動速度,T為溫度,μ為動力黏度,μt為湍流黏性系數,σt是t的湍流普朗特數,Su、Sv是廣義源項。

當考慮穩態項時,由于水刺加固噴嘴噴射流場的流體為室溫條件下不可壓縮和穩態的湍流流動狀態,所以去掉式(1)、式(2)、式(3)、式(4)的首項即是考慮穩態項時相應的連續方程、x方向的動量方程、y方向的動量方程、能量方程。

2.2 湍流模型

由于水刺加固噴嘴的噴口噴射出的水流速度比較高,流體的雷諾數較高,故水刺非織造水腔內的噴嘴在噴射過程中高速水流的流動特征屬于湍流狀態,所以還需遵守湍流輸運方程。

k-ε模型是工業流動計算中應用最為廣泛的湍流模型,包括標準k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型三種形式[9-10]。標準k-ε模型是應用范圍最廣的模型,其優點是只需提供初始條件和邊界條件,模型比較完善,缺點是在一些重要場合表現較差,如無約束流、大應變流、旋轉流等。RNGk-ε模型通過修正湍動黏度,考慮了平均流動中的旋轉和旋轉流動情況,主要用于描述高應變率和流線彎曲程度較大的復雜湍流運動。Realizablek-ε模型引入了與旋轉和曲率有關的內容,主要用于描述包括旋轉均勻剪切流、邊界層流動和分離流、二次流等復雜湍流運動。

考慮到水刺非織造布高速噴射流場是黏性流體的定常運動,存在邊界層流動,故采用Realizablek-ε模型描述湍流運動。當考慮瞬態項時,引用封閉方程,輸運方程相關的湍流動能(k)方程和湍流耗散率(ε)方程見式(5)、式(6)。

(5)

(6)

式中:μj為黏性系數分量,σk和σε分別為k和ε的湍流普朗特數,xi、xj為各坐標分量,Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能k的產生項,Gb是由于浮力引起的湍動能k的產生項,YM代表可壓湍動中脈動擴張的貢獻,S為廣義源項,C1取max [0.43,η/(η+5)] ,η為Sk/ε,C2取1.9,σk取1.0,σε取1.2。

當考慮穩態項時,由于水刺加固噴嘴噴射流場的流體為室溫條件下不可壓縮和穩態的湍流流動狀態,所以去掉式(5)、式(6)的首項即是考慮穩態項時相應的k方程和ε方程。

2.3 邊界條件

水刺加固噴嘴的幾何形狀示意如圖2所示。一般來說,沿著噴嘴的高速射流方向,噴嘴的射流長度包括三段:a是射流的初始段(收縮段)噴口長度,b是射流的過渡段(穩定段)長度,c是射流的充分發展段(漸擴段)長度。(h1-h2)為水刺加固噴嘴過流段的高度之差,e為水刺加固噴嘴噴口的寬度,f為水刺加固噴嘴噴口的高度。在初始段內,較大的截面逐漸過渡到較小的截面,射流軸線上的速度仍然保持射流的平均速度,當噴嘴斷面面積很小時,認為該斷面上的射流速度大小處處相同,方向一致,即僅存在沿著射流的軸向方向的速度分量;在緊鄰初始段的過渡段存在著射流流束段,射流速度剖面形狀沿軸向存在著明顯的變化;在射流的充分發展段,該段流道的截面迅速擴大,使流道內流體得到快速擴散,速度剖面形狀符合射流自相似規律。

圖2 水刺加固噴嘴的幾何形狀示意Fig.2 Geometric diagram of nozzle for spunlacing process

水刺非織造水腔內的噴嘴噴射過程中,高速射流從長寬比值很大的噴嘴中噴射出來后形成平面湍流射流,所以水刺非織造水腔內的噴嘴所產生的射流沿著噴嘴的中心線是對稱的,上游斷面取在噴嘴入口的前緣,下游斷面取在離噴嘴的噴口前緣之處, 射流的外滲入邊界取在離噴嘴中心線的足夠遠處。因此,水刺非織造水腔內的噴嘴相應的邊界條件為:在進口邊界上,u,v和T隨著y的分布給定;在固體壁面上,u為0,v為0,T為壁面溫度;在對稱線上,在垂直邊界上的速度均為0,見式(7),其他物理量的值在該邊界內外相等;在出口邊界上,所有變量(壓力除外)在流動方向上無梯度變化,見式(8)。

(7)

(8)

3 水刺加固噴嘴噴射流場模型數值模擬

在流場數值模擬計算過程中,采用常規的數值方法直接求解控制方程,會出現不少問題和困難,為了解決這個問題,引入了SIMPLE算法,主要包括基于交錯網格和基于同位網格的算法,該算法不必為速度和壓力構建不同的控制體積,編程時十分簡單,適合于復雜問題的計算。

在不考慮聚合物纖維對水刺加固噴嘴高壓噴射流場影響的條件下,以水刺加固噴嘴高速噴射水流的速度為進口的邊界條件,出口邊界條件為自由出流,壁面采用無滑移條件,采用基于交錯網格的SIMPLE算法,通過Fluent 6.0流體力學軟件對4個水刺加固噴嘴的噴射流場(不考慮瞬態)進行了數值模擬計算。

4個水刺加固噴嘴的主要設計參數見表1(設計參數按實際應用水刺噴嘴相應的尺寸放大4倍),流體初始速度10 m/s, 流體初始溫度為室溫。

表1 水刺加固噴嘴的主要設計參數Tab.1 Main design parameters of nozzles for spunlacing process

根據數值模擬結果繪出的噴射流場相應的速度分布場見圖3。從圖3可以看出:流體從水刺加固噴嘴的噴孔噴出后,形成一股平面湍流射流,這股射流在水刺加固噴嘴的軸線方向上都保持著較高的射流噴射速度(以高速微細水針的形式),并沿著水刺加固噴嘴的水平軸向方向有規律的平行分布;f增大,混合段(即過渡段和充分發展段,該段也稱為射流主段)出口的壓強增大,在噴嘴軸向方向的速度增大,可使水刺加固噴嘴噴射出的流體以高速水針的形式沖擊纖維網,確保纖維在高速水針的沖擊作用下相互纏結,從而使松散的纖維網成為具有一定力學性能的水刺非織造布,但f過大,會使噴射流體的功率增大,導致水刺加固噴嘴噴射的流體消耗量增加,而f過小,不僅噴嘴加工的難度會增大,而且進入噴嘴流道的流體流量和能量也會降低,導致水刺非織造纖維網纏結效果不良,影響水刺布的力學性能;適當增大a,噴嘴中的流體流量增加,噴嘴噴口的壓力增大,噴射射流的速度加快,這對提高水刺非織造纖維網纏結效果十分有利;b增大,混合段出口處的壓強增大,纖維網受到的沖擊力增大,有利于提高水刺非織造纖維網纏結效果,但b過大,噴嘴中的流體摩擦阻力增大,噴射流體速度降低,會使纖維網受到的沖擊力減小,不利于提高纖維網的纖維纏結效果,而b過小,纖維網受到的沖擊力則變小;適當減小(h1-h2),雖然噴嘴的噴射流場能夠保持較高速度的區域要比(h1-h2)大的噴嘴小一些,但是在噴嘴噴孔的軸線方向的相同位置上卻具有比較大的噴射速度,這有利于提高水刺非織造纖維網纏結效果。

4 水刺加固噴嘴噴射流場模型的驗證

為了驗證數值模擬求解結果的有效性和準確性等,采用丹麥Dantec公司的PIV-2100型粒子圖像測速儀對4個噴嘴(由于采用快速直接成型和快速成模擬加工實驗用水刺加固噴嘴的技術和條件不具備,水刺加固噴嘴采用透明有機玻璃制造而成)所形成的噴射流場進行了測試?？諝鈴娘L機出來,并由調頻儀器控制,以達到所需要氣流的速度,然后進入水刺加固噴嘴。對于每一個水刺加固噴嘴,通過調頻儀器控制空氣的流量,使氣流初始速度達到所需要的值,流體初始速度10 m/s, 初始溫度保持室溫。風機的風量為1 200～3 000 m3/h,風壓為400～420 mm水柱,風機轉速為2 800～3 200 r/min。油煙粒子由煙霧發生器控制,粒子直徑小于5 μm[11]。粒子圖像測速儀測試結果及其理論模型數值模擬結果見圖4。

圖4 不同水刺加固噴嘴x方向噴射速度沿對稱線分布的實測值與計算值Fig.4 Measured and calculated values of x-direction jet velocity distribution of spunlacing nozzles along symmetrical line■—實測值;●—計算值

從圖4可以看出,水刺加固噴嘴高速噴射流場中的速度數值模擬計算值與實驗測試值十分吻合,這說明了采用建立的Realizablek-ε湍流模型去描述水腔內噴嘴的噴射流場正確,建立的數值模擬計算求解方法也有效。

5 結論

a.采用Realizablek-ε湍流模型描述水刺非織造水腔內噴嘴的噴射流場正確,建立的數值模擬計算求解方法有效,與實驗測試值十分吻合。

b.適當增大f,可使流體在噴嘴噴口軸向方向的速度增大,在水刺加固噴嘴噴口中心線兩側的分布梯度也增大,這對提高水刺非織造纖維網纏結效果十分有利;適當增大a,可以使流體的流量和壓力增大,提高水刺非織造纖維網纏結效果;隨著b的增大,混合段出口壓力增大,噴射流體的速度增大,纖維網所受到的沖擊力增大;適當減小(h1-h2),混合段出口處壓力增大,可以實現較大范圍內噴射流體速度的增大, 使纖維網所受到的沖擊力增大,改善水刺非織造纖維網纏結效果。