水刺加固喷嘴高速喷射流场的数值模拟及验证

赵 博

(中原工学院,河南 郑州 450007)

水刺非织造工艺又称为射流喷网或水力缠结工艺,是一种非织造布加工技术,近年来发展较快[1-2]。水刺加固喷嘴作为水刺非织造布工艺的核心组件,其作用是将高能量水流转换成高速、微细、集束水针作用于纤维网,实现纤维网的缠结加固[3],因此,对水刺加固喷嘴高速喷射流场进行研究,揭示水刺加固喷嘴高速喷射水流对聚合物纤维的水力缠结加固机理非常有必要。

速度是水刺加固喷嘴高速喷射流场最重要的特征参数之一,其测量除了包括某一点的速度大小和方向,还包括局部或整个流场的速度分布,因此,准确获取流场的速度场难度较大, 测量仪器不仅需要较高的准确度、精确度, 而且还要具有很好的响应特性[4]。

流场模拟是研究流体运动规律及进行流体设备设计的一项非常关键的技术手段[5-6],可以对流场内部的压力分布、速度变化、温度场及流体之间的相互作用等情况进行数值计算,且无需进行实际的物理试验,目前已广泛应用于化工化纤、航空航天、汽车、船舶、风力发电等许多领域,已经成为现代流体工程研究不可或缺的工具。

作者以水刺加固喷嘴高速射流对聚合物纤维进行水力缠结加固成形的过程为研究对象,通过建立水刺加固喷嘴喷射流场理论模型,经过数值模拟和实验测试等,研究了流体在水刺加固喷嘴高压射流场作用下的运动特征。

1 水刺非织造布工艺原理

水刺法是利用水刺加固喷嘴高速射流对纤维进行水力缠结加固的一种非织造加工技术,水刺工艺流程见图1。

图1 水刺工艺流程示意Fig.1 Schematic diagram of spunlace process1—动态水腔;2—均流腔;3—密封腔;4—喷水板;5—纤维网;6—输网帘;7—滚筒;8—密封装置;9—真空吸水箱

纤网经由托网帘进入到水刺区后,高压水流形成连续的“水针”,水针呈圆柱状,经水刺头、水针板垂直的射向纤网;在这个过程中,纤维从表面被水针带入网底,并形成缠结;水针穿透后形成不同方向的反射,使得纤网受到不同方向水针的穿射,因此,纤网在整个水刺的过程中受到正反面水柱的双重作用,形成方向不同的缠结,这种缠结是无规则的,达到了加固的作用,从而形成水刺非织造布[7]。

由于水刺非织造布设备高压水腔内部喷嘴的水流具有较高的压力,通常在3～60 MPa,并且流动区域呈不规则形状,因此,水腔内喷嘴的流场流动明显为湍流流动。

2 水刺加固喷嘴喷射流场模型

水刺加固喷嘴喷射流场理论模型由控制方程(连续方程、动量方程、能量方程)、输运方程及边界条件组成[8]。

2.1 控制方程

根据水刺加固喷嘴三维喷射流场的特点,当考虑瞬态项时,连续方程见式(1),x方向的动量方程见式(2)、y方向的动量方程见式(3),能量方程见式(4)。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:ρ为流体密度,t为时间点,u为x方向的流动速度,v为y方向的流动速度,T为温度,μ为动力黏度,μt为湍流黏性系数,σt是t的湍流普朗特数,Su、Sv是广义源项。

当考虑稳态项时,由于水刺加固喷嘴喷射流场的流体为室温条件下不可压缩和稳态的湍流流动状态,所以去掉式(1)、式(2)、式(3)、式(4)的首项即是考虑稳态项时相应的连续方程、x方向的动量方程、y方向的动量方程、能量方程。

2.2 湍流模型

由于水刺加固喷嘴的喷口喷射出的水流速度比较高,流体的雷诺数较高,故水刺非织造水腔内的喷嘴在喷射过程中高速水流的流动特征属于湍流状态,所以还需遵守湍流输运方程。

k-ε模型是工业流动计算中应用最为广泛的湍流模型,包括标准k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型三种形式[9-10]。标准k-ε模型是应用范围最广的模型,其优点是只需提供初始条件和边界条件,模型比较完善,缺点是在一些重要场合表现较差,如无约束流、大应变流、旋转流等。RNGk-ε模型通过修正湍动黏度,考虑了平均流动中的旋转和旋转流动情况,主要用于描述高应变率和流线弯曲程度较大的复杂湍流运动。Realizablek-ε模型引入了与旋转和曲率有关的内容,主要用于描述包括旋转均匀剪切流、边界层流动和分离流、二次流等复杂湍流运动。

考虑到水刺非织造布高速喷射流场是黏性流体的定常运动,存在边界层流动,故采用Realizablek-ε模型描述湍流运动。当考虑瞬态项时,引用封闭方程,输运方程相关的湍流动能(k)方程和湍流耗散率(ε)方程见式(5)、式(6)。

(5)

(6)

式中:μj为黏性系数分量,σk和σε分别为k和ε的湍流普朗特数,xi、xj为各坐标分量,Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项,Gb是由于浮力引起的湍动能k的产生项,YM代表可压湍动中脉动扩张的贡献,S为广义源项,C1取max [0.43,η/(η+5)] ,η为Sk/ε,C2取1.9,σk取1.0,σε取1.2。

当考虑稳态项时,由于水刺加固喷嘴喷射流场的流体为室温条件下不可压缩和稳态的湍流流动状态,所以去掉式(5)、式(6)的首项即是考虑稳态项时相应的k方程和ε方程。

2.3 边界条件

水刺加固喷嘴的几何形状示意如图2所示。一般来说,沿着喷嘴的高速射流方向,喷嘴的射流长度包括三段:a是射流的初始段(收缩段)喷口长度,b是射流的过渡段(稳定段)长度,c是射流的充分发展段(渐扩段)长度。(h1-h2)为水刺加固喷嘴过流段的高度之差,e为水刺加固喷嘴喷口的宽度,f为水刺加固喷嘴喷口的高度。在初始段内,较大的截面逐渐过渡到较小的截面,射流轴线上的速度仍然保持射流的平均速度,当喷嘴断面面积很小时,认为该断面上的射流速度大小处处相同,方向一致,即仅存在沿着射流的轴向方向的速度分量;在紧邻初始段的过渡段存在着射流流束段,射流速度剖面形状沿轴向存在着明显的变化;在射流的充分发展段,该段流道的截面迅速扩大,使流道内流体得到快速扩散,速度剖面形状符合射流自相似规律。

图2 水刺加固喷嘴的几何形状示意Fig.2 Geometric diagram of nozzle for spunlacing process

水刺非织造水腔内的喷嘴喷射过程中,高速射流从长宽比值很大的喷嘴中喷射出来后形成平面湍流射流,所以水刺非织造水腔内的喷嘴所产生的射流沿着喷嘴的中心线是对称的,上游断面取在喷嘴入口的前缘,下游断面取在离喷嘴的喷口前缘之处, 射流的外渗入边界取在离喷嘴中心线的足够远处。因此,水刺非织造水腔内的喷嘴相应的边界条件为:在进口边界上,u,v和T随着y的分布给定;在固体壁面上,u为0,v为0,T为壁面温度;在对称线上,在垂直边界上的速度均为0,见式(7),其他物理量的值在该边界内外相等;在出口边界上,所有变量(压力除外)在流动方向上无梯度变化,见式(8)。

(7)

(8)

3 水刺加固喷嘴喷射流场模型数值模拟

在流场数值模拟计算过程中,采用常规的数值方法直接求解控制方程,会出现不少问题和困难,为了解决这个问题,引入了SIMPLE算法,主要包括基于交错网格和基于同位网格的算法,该算法不必为速度和压力构建不同的控制体积,编程时十分简单,适合于复杂问题的计算。

在不考虑聚合物纤维对水刺加固喷嘴高压喷射流场影响的条件下,以水刺加固喷嘴高速喷射水流的速度为进口的边界条件,出口边界条件为自由出流,壁面采用无滑移条件,采用基于交错网格的SIMPLE算法,通过Fluent 6.0流体力学软件对4个水刺加固喷嘴的喷射流场(不考虑瞬态)进行了数值模拟计算。

4个水刺加固喷嘴的主要设计参数见表1(设计参数按实际应用水刺喷嘴相应的尺寸放大4倍),流体初始速度10 m/s, 流体初始温度为室温。

表1 水刺加固喷嘴的主要设计参数Tab.1 Main design parameters of nozzles for spunlacing process

根据数值模拟结果绘出的喷射流场相应的速度分布场见图3。从图3可以看出:流体从水刺加固喷嘴的喷孔喷出后,形成一股平面湍流射流,这股射流在水刺加固喷嘴的轴线方向上都保持着较高的射流喷射速度(以高速微细水针的形式),并沿着水刺加固喷嘴的水平轴向方向有规律的平行分布;f增大,混合段(即过渡段和充分发展段,该段也称为射流主段)出口的压强增大,在喷嘴轴向方向的速度增大,可使水刺加固喷嘴喷射出的流体以高速水针的形式冲击纤维网,确保纤维在高速水针的冲击作用下相互缠结,从而使松散的纤维网成为具有一定力学性能的水刺非织造布,但f过大,会使喷射流体的功率增大,导致水刺加固喷嘴喷射的流体消耗量增加,而f过小,不仅喷嘴加工的难度会增大,而且进入喷嘴流道的流体流量和能量也会降低,导致水刺非织造纤维网缠结效果不良,影响水刺布的力学性能;适当增大a,喷嘴中的流体流量增加,喷嘴喷口的压力增大,喷射射流的速度加快,这对提高水刺非织造纤维网缠结效果十分有利;b增大,混合段出口处的压强增大,纤维网受到的冲击力增大,有利于提高水刺非织造纤维网缠结效果,但b过大,喷嘴中的流体摩擦阻力增大,喷射流体速度降低,会使纤维网受到的冲击力减小,不利于提高纤维网的纤维缠结效果,而b过小,纤维网受到的冲击力则变小;适当减小(h1-h2),虽然喷嘴的喷射流场能够保持较高速度的区域要比(h1-h2)大的喷嘴小一些,但是在喷嘴喷孔的轴线方向的相同位置上却具有比较大的喷射速度,这有利于提高水刺非织造纤维网缠结效果。

4 水刺加固喷嘴喷射流场模型的验证

为了验证数值模拟求解结果的有效性和准确性等,采用丹麦Dantec公司的PIV-2100型粒子图像测速仪对4个喷嘴(由于采用快速直接成型和快速成模拟加工实验用水刺加固喷嘴的技术和条件不具备,水刺加固喷嘴采用透明有机玻璃制造而成)所形成的喷射流场进行了测试。空气从风机出来,并由调频仪器控制,以达到所需要气流的速度,然后进入水刺加固喷嘴。对于每一个水刺加固喷嘴,通过调频仪器控制空气的流量,使气流初始速度达到所需要的值,流体初始速度10 m/s, 初始温度保持室温。风机的风量为1 200～3 000 m3/h,风压为400～420 mm水柱,风机转速为2 800～3 200 r/min。油烟粒子由烟雾发生器控制,粒子直径小于5 μm[11]。粒子图像测速仪测试结果及其理论模型数值模拟结果见图4。

图4 不同水刺加固喷嘴x方向喷射速度沿对称线分布的实测值与计算值Fig.4 Measured and calculated values of x-direction jet velocity distribution of spunlacing nozzles along symmetrical line■—实测值;●—计算值

从图4可以看出,水刺加固喷嘴高速喷射流场中的速度数值模拟计算值与实验测试值十分吻合,这说明了采用建立的Realizablek-ε湍流模型去描述水腔内喷嘴的喷射流场正确,建立的数值模拟计算求解方法也有效。

5 结论

a.采用Realizablek-ε湍流模型描述水刺非织造水腔内喷嘴的喷射流场正确,建立的数值模拟计算求解方法有效,与实验测试值十分吻合。

b.适当增大f,可使流体在喷嘴喷口轴向方向的速度增大,在水刺加固喷嘴喷口中心线两侧的分布梯度也增大,这对提高水刺非织造纤维网缠结效果十分有利;适当增大a,可以使流体的流量和压力增大,提高水刺非织造纤维网缠结效果;随着b的增大,混合段出口压力增大,喷射流体的速度增大,纤维网所受到的冲击力增大;适当减小(h1-h2),混合段出口处压力增大,可以实现较大范围内喷射流体速度的增大, 使纤维网所受到的冲击力增大,改善水刺非织造纤维网缠结效果。