水刺加固噴嘴高速噴射流場的數(shù)值模擬及驗(yàn)證

趙 博

(中原工學(xué)院,河南 鄭州 450007)

水刺非織造工藝又稱為射流噴網(wǎng)或水力纏結(jié)工藝,是一種非織造布加工技術(shù),近年來發(fā)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(zhuǎn)換成高速、微細(xì)、集束水針作用于纖維網(wǎng),實(shí)現(xiàn)纖維網(wǎng)的纏結(jié)加固[3],因此,對(duì)水刺加固噴嘴高速噴射流場進(jìn)行研究,揭示水刺加固噴嘴高速噴射水流對(duì)聚合物纖維的水力纏結(jié)加固機(jī)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(shù)之一,其測量除了包括某一點(diǎn)的速度大小和方向,還包括局部或整個(gè)流場的速度分布,因此,準(zhǔn)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(zhǔn)確度、精確度, 而且還要具有很好的響應(yīng)特性[4]。

流場模擬是研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律及進(jìn)行流體設(shè)備設(shè)計(jì)的一項(xiàng)非常關(guān)鍵的技術(shù)手段[5-6],可以對(duì)流場內(nèi)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(jìn)行數(shù)值計(jì)算,且無需進(jìn)行實(shí)際的物理試驗(yàn),目前已廣泛應(yīng)用于化工化纖、航空航天、汽車、船舶、風(fēng)力發(fā)電等許多領(lǐng)域,已經(jīng)成為現(xiàn)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(duì)聚合物纖維進(jìn)行水力纏結(jié)加固成形的過程為研究對(duì)象,通過建立水刺加固噴嘴噴射流場理論模型,經(jīng)過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)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(duì)纖維進(jìn)行水力纏結(jié)加固的一種非織造加工技術(shù),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—?jiǎng)討B(tài)水腔;2—均流腔;3—密封腔;4—噴水板;5—纖維網(wǎng);6—輸網(wǎng)簾;7—滾筒;8—密封裝置;9—真空吸水箱

纖網(wǎng)經(jīng)由托網(wǎng)簾進(jìn)入到水刺區(qū)后,高壓水流形成連續(xù)的“水針”,水針呈圓柱狀,經(jīng)水刺頭、水針板垂直的射向纖網(wǎng);在這個(gè)過程中,纖維從表面被水針帶入網(wǎng)底,并形成纏結(jié);水針穿透后形成不同方向的反射,使得纖網(wǎng)受到不同方向水針的穿射,因此,纖網(wǎng)在整個(gè)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(jié),這種纏結(jié)是無規(guī)則的,達(dá)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(shè)備高壓水腔內(nèi)部噴嘴的水流具有較高的壓力,通常在3～60 MPa,并且流動(dòng)區(qū)域呈不規(guī)則形狀,因此,水腔內(nèi)噴嘴的流場流動(dòng)明顯為湍流流動(dòng)。

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(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程)、輸運(yùn)方程及邊界條件組成[8]。

2.1 控制方程

根據(jù)水刺加固噴嘴三維噴射流場的特點(diǎn),當(dāng)考慮瞬態(tài)項(xiàng)時(shí),連續(xù)方程見式(1),x方向的動(dòng)量方程見式(2)、y方向的動(dòng)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(shí)間點(diǎn),u為x方向的流動(dòng)速度,v為y方向的流動(dòng)速度,T為溫度,μ為動(dòng)力黏度,μt為湍流黏性系數(shù),σt是t的湍流普朗特?cái)?shù),Su、Sv是廣義源項(xiàng)。

當(dāng)考慮穩(wěn)態(tài)項(xiàng)時(shí),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(wěn)態(tài)的湍流流動(dòng)狀態(tài),所以去掉式(1)、式(2)、式(3)、式(4)的首項(xiàng)即是考慮穩(wěn)態(tài)項(xiàng)時(shí)相應(yīng)的連續(xù)方程、x方向的動(dòng)量方程、y方向的動(dòng)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(shù)較高,故水刺非織造水腔內(nèi)的噴嘴在噴射過程中高速水流的流動(dòng)特征屬于湍流狀態(tài),所以還需遵守湍流輸運(yùn)方程。

k-ε模型是工業(yè)流動(dòng)計(jì)算中應(yīng)用最為廣泛的湍流模型,包括標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型三種形式[9-10]。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是應(yīng)用范圍最廣的模型,其優(yōu)點(diǎn)是只需提供初始條件和邊界條件,模型比較完善,缺點(diǎn)是在一些重要場合表現(xiàn)較差,如無約束流、大應(yīng)變流、旋轉(zhuǎn)流等。RNGk-ε模型通過修正湍動(dòng)黏度,考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)流動(dòng)情況,主要用于描述高應(yīng)變率和流線彎曲程度較大的復(fù)雜湍流運(yùn)動(dòng)。Realizablek-ε模型引入了與旋轉(zhuǎn)和曲率有關(guān)的內(nèi)容,主要用于描述包括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、邊界層流動(dòng)和分離流、二次流等復(fù)雜湍流運(yùn)動(dòng)。

考慮到水刺非織造布高速噴射流場是黏性流體的定常運(yùn)動(dòng),存在邊界層流動(dòng),故采用Realizablek-ε模型描述湍流運(yùn)動(dòng)。當(dāng)考慮瞬態(tài)項(xiàng)時(shí),引用封閉方程,輸運(yùn)方程相關(guān)的湍流動(dòng)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(shù)分量,σk和σε分別為k和ε的湍流普朗特?cái)?shù),xi、xj為各坐標(biāo)分量,Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng),Gb是由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng),YM代表可壓湍動(dòng)中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn),S為廣義源項(xiàng),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(dāng)考慮穩(wěn)態(tài)項(xiàng)時(shí),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(wěn)態(tài)的湍流流動(dòng)狀態(tài),所以去掉式(5)、式(6)的首項(xiàng)即是考慮穩(wěn)態(tài)項(xiàng)時(shí)相應(yīng)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(wěn)定段)長度,c是射流的充分發(fā)展段(漸擴(kuò)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(nèi),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(dāng)噴嘴斷面面積很小時(shí),認(rèn)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(fā)展段,該段流道的截面迅速擴(kuò)大,使流道內(nèi)流體得到快速擴(kuò)散,速度剖面形狀符合射流自相似規(guī)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(nèi)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(nèi)的噴嘴所產(chǎn)生的射流沿著噴嘴的中心線是對(duì)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(yuǎn)處。因此,水刺非織造水腔內(nèi)的噴嘴相應(yīng)的邊界條件為:在進(jìn)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(duì)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(nèi)外相等;在出口邊界上,所有變量(壓力除外)在流動(dòng)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(shù)值模擬

在流場數(shù)值模擬計(jì)算過程中,采用常規(guī)的數(shù)值方法直接求解控制方程,會(huì)出現(xiàn)不少問題和困難,為了解決這個(gè)問題,引入了SIMPLE算法,主要包括基于交錯(cuò)網(wǎng)格和基于同位網(wǎng)格的算法,該算法不必為速度和壓力構(gòu)建不同的控制體積,編程時(shí)十分簡單,適合于復(fù)雜問題的計(jì)算。

在不考慮聚合物纖維對(duì)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(jìn)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(cuò)網(wǎng)格的SIMPLE算法,通過Fluent 6.0流體力學(xué)軟件對(duì)4個(gè)水刺加固噴嘴的噴射流場(不考慮瞬態(tài))進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。

4個(gè)水刺加固噴嘴的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1(設(shè)計(jì)參數(shù)按實(shí)際應(yīng)用水刺噴嘴相應(yīng)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(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Main design parameters of nozzles for spunlacing process

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果繪出的噴射流場相應(yīng)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(xì)水針的形式),并沿著水刺加固噴嘴的水平軸向方向有規(guī)律的平行分布;f增大,混合段(即過渡段和充分發(fā)展段,該段也稱為射流主段)出口的壓強(qiáng)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?jīng)_擊纖維網(wǎng),確保纖維在高速水針的沖擊作用下相互纏結(jié),從而使松散的纖維網(wǎng)成為具有一定力學(xué)性能的水刺非織造布,但f過大,會(huì)使噴射流體的功率增大,導(dǎo)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(huì)增大,而且進(jìn)入噴嘴流道的流體流量和能量也會(huì)降低,導(dǎo)致水刺非織造纖維網(wǎng)纏結(jié)效果不良,影響水刺布的力學(xué)性能;適當(dāng)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(duì)提高水刺非織造纖維網(wǎng)纏結(jié)效果十分有利;b增大,混合段出口處的壓強(qiáng)增大,纖維網(wǎng)受到的沖擊力增大,有利于提高水刺非織造纖維網(wǎng)纏結(jié)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(huì)使纖維網(wǎng)受到的沖擊力減小,不利于提高纖維網(wǎng)的纖維纏結(jié)效果,而b過小,纖維網(wǎng)受到的沖擊力則變小;適當(dāng)減小(h1-h2),雖然噴嘴的噴射流場能夠保持較高速度的區(qū)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(wǎng)纏結(jié)效果。

4 水刺加固噴嘴噴射流場模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬求解結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性等,采用丹麥Dantec公司的PIV-2100型粒子圖像測速儀對(duì)4個(gè)噴嘴(由于采用快速直接成型和快速成模擬加工實(shí)驗(yàn)用水刺加固噴嘴的技術(shù)和條件不具備,水刺加固噴嘴采用透明有機(jī)玻璃制造而成)所形成的噴射流場進(jìn)行了測試?？諝鈴娘L(fēng)機(jī)出來,并由調(diào)頻儀器控制,以達(dá)到所需要?dú)饬鞯乃俣?然后進(jìn)入水刺加固噴嘴。對(duì)于每一個(gè)水刺加固噴嘴,通過調(diào)頻儀器控制空氣的流量,使氣流初始速度達(dá)到所需要的值,流體初始速度10 m/s, 初始溫度保持室溫。風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為1 200～3 000 m3/h,風(fēng)壓為400～420 mm水柱,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 800～3 200 r/min。油煙粒子由煙霧發(fā)生器控制,粒子直徑小于5 μm[11]。粒子圖像測速儀測試結(jié)果及其理論模型數(shù)值模擬結(jié)果見圖4。

圖4 不同水刺加固噴嘴x方向噴射速度沿對(duì)稱線分布的實(shí)測值與計(jì)算值Fig.4 Measured and calculated values of x-direction jet velocity distribution of spunlacing nozzles along symmetrical line■—實(shí)測值;●—計(jì)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(shù)值模擬計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)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(nèi)噴嘴的噴射流場正確,建立的數(shù)值模擬計(jì)算求解方法也有效。

5 結(jié)論

a.采用Realizablek-ε湍流模型描述水刺非織造水腔內(nèi)噴嘴的噴射流場正確,建立的數(shù)值模擬計(jì)算求解方法有效,與實(shí)驗(yàn)測試值十分吻合。

b.適當(dāng)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(cè)的分布梯度也增大,這對(duì)提高水刺非織造纖維網(wǎng)纏結(jié)效果十分有利;適當(dāng)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(wǎng)纏結(jié)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(wǎng)所受到的沖擊力增大;適當(dāng)減小(h1-h2),混合段出口處壓力增大,可以實(shí)現(xiàn)較大范圍內(nèi)噴射流體速度的增大, 使纖維網(wǎng)所受到的沖擊力增大,改善水刺非織造纖維網(wǎng)纏結(jié)效果。