基于Fluent的螺旋形喷嘴熔喷流场的数值模拟和试验

杜利娟，曾泳春

（东华大学 纺织学院，上海 201620）

熔喷技术是生产非织造材料的一种方法，在熔喷纺丝过程中，高压、高温气流作用于熔融聚合物，使得聚合物射流拉伸变细，然后逐渐凝固成丝，气流的速度和温度是熔喷气流拉伸模型中的重要条件，而喷嘴的结构又将影响气流的速度和温度分布.现有文献对熔喷气流场的研究多集中于常见的环形喷嘴[1－3]和狭槽形喷嘴[4－6]，而 对 螺 旋 形 喷 嘴 的 研究较少.文献[7]指出，螺旋形喷嘴主要应用于控制黏合剂以特定的形态沉淀附着在某种基质上，螺旋形喷嘴的流体动力学是一个非常复杂的湍流形态，且这种复杂可能是由气体的螺旋性、局部高速性、喷嘴微小的尺寸特征和复杂的几何特征引起的.为了探讨这种特殊的喷嘴对于熔喷流场及纺丝的作用，本文以螺旋形喷嘴为研究对象，对气流场的速度和温度进行数值模拟和试验验证.

1 数值模拟

1.1 熔喷流场几何模型的建立及网格划分

螺旋形喷嘴的几何结构及尺寸如图1所示.数值模拟所采用的软件是Fluent 6.3，它是用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问题的专用计算流体动力学（CFD）软件[8].其中，Gambit为Fluent的前处理软件，用于模型建立和网格划分.螺旋形喷嘴具备周期性旋转的几何特点，为方便计算及节省时间，取其中的1／6为模型，系统坐标原点为喷嘴中心，x轴穿过进气孔中心面，y轴垂直于x轴，z轴正方向垂直于喷嘴表面向上.整个喷嘴下方的计算区域定义为一圆柱形，高度为70mm，圆面直径为D，进气孔入口直径为d，旋转角度为θ，6个进气孔以α（60°）等角度排列在喷嘴聚合物入口的周围，如图2所示.

图1 螺旋形喷嘴结构Fig.1 Structure of swirl nozzle

图2 螺旋形喷嘴CFD模型Fig.2 CFD model of swirl nozzle

网格划分中，面网格为四边形和三角形非结构性网格，体网格通常采用四面体和六面体网格，但螺旋形喷嘴因其较为复杂的几何形状，不适合在整个计算区域内使用同一类型的网格.本文采用混合型体网格，即在靠近模头面区域采用六面体网格，其余采用四面体网格.初始化网格数量为1 468 794.

1.2 边界条件的设置

熔喷流场属于稳态流动，不需要设置初始条件，计算区域的边界条件设置如图3所示.入口处压力为141.855kPa，在该压强下空气可压缩，材料属性设置为可压缩理想气体.由于整个区域关于中心轴周期性旋转，因此，取其中的1／6模型进行计算.具体边界条件如下所述.

（1）压力入口边界：喷嘴入口处由空气压缩机提供高温高速气流，为压力入口边界.根据Fluent中各项参数条件的定义，设置6个喷嘴的入口总压均为141.855kPa，温度为473K，气流速度入口方向与螺旋气孔倾斜角度一致.压力入口的脉动强度为10%，根据喷孔直径设置水力直径为0.5mm.

（2）压力出口边界：气体射流从螺旋喷嘴射出后，在喷嘴下方区域自由扩散，气体出口边界为大气环境，因此出口压力为101.325kPa，温度为300K，压力出口脉动强度为10%，根据喷嘴表面直径设置水力直径为30mm.

（3）周期性边界：由于本文建立的是喷嘴的1／6部分，因此存在两个周期性旋转界面，界面类型设置为Rotational，压力变化为0Pa.

（4）壁面边界：喷嘴的其余面设置为壁面，保留默认设置.

图3 螺旋形喷嘴流场的边界条件Fig.3 Boundary conditions of the flow field of swirl nozzle

1.3 求解器与计算模型

Fluent默认使用分离式求解器，但对于高速可压缩理想气体的流动，耦合求解器更为合适.本文采用基于密度的隐式求解器.熔喷流场为湍流模型，选择标准κ－ε模型，波动参数Cε1和Cε2分别为1.24和2.05[9].迭代的初始柯朗数“Courant Number”设为1，离散格式为一阶迎风，然后根据迭代稳定性的提高可逐渐调大Courant Number来加快收敛速度，同时将离散格式改为二阶迎风来提高迭代精度.

1.4 计算与收敛判断

在Fluent中设置上述参数条件后，开始初始化迭代计算.计算的收敛可通过残差曲线来判断，通常残差达到10－3即可认为达到收敛.同时设置入口和出口质量监视曲线，对方程组解的收敛过程进行实时监测，并根据出现的问题调整相关设置，直至达到指定收敛精度，迭代结束.本次模拟在迭代70 000次后质量流量基本保持在0左右，说明进口与出口的气体流量符合质量守恒.计算90 000次后，残差曲线波动基本保持不变，且各指标残差均达到10－4以下，则判断解收敛.

2 螺旋形喷嘴流场的试验测量

本文对熔喷流场的测量采用丹麦丹迪公司设计生产的热线风速仪，型号为 Dantec CTA／HWA（Streamline），包括 Dantec StreamLine CTA 90C10测速模块和 Dantec StreamLine CTA 90C20测温模块.熔喷设备是实验室自行设计的熔喷实验机.熔喷设备中空气压缩机提供的高压气体被熔喷机加热后从喷嘴的6个进气孔中喷出，汇聚在喷嘴下方，安装在喷嘴下方三维支架上的热线探头对流场进行测量.探头直径为5μm，探头支架的宽度为1.2mm，支架移动精度为0.01mm，试验设备配置如图4所示.

图4 试验配置图Fig.4 Experimental configuration

螺旋形喷嘴的气流集中在喷嘴中心线附近，因此，测量x-z平面和y-z平面，两平面上的测量点分布相同，分布范围为－30.0mm≤x≤30.0mm；－30.0mm≤y≤30.0mm；7.5mm≤z≤70.0mm.由于靠近喷嘴中心附近流场变化较快，在x轴和y轴方向上，对区域－8.0mm≤x≤8.0mm和－8.0 mm≤y≤8.0mm进行加密测量，每隔1mm测量一个点，其他区域内每隔5mm测量一个点，共计27个点；在z轴方向上，每隔2.5mm测量一个点，共测26个点.x-z平面上测量点分布如图5所示.由于x和y方面的测量点分布相同，故y-z平面上的测量点分布同图5.

图5 螺旋形喷嘴试验测量点分布Fig.5 Distribution of experimental measuring position of swirl nozzle

3 结果与讨论

3.1 模拟结果显示与分析

图6 螺旋形喷嘴熔喷流场的速度等值图Fig.6 Velocity contours of the melt blowing flow field of swirl nozzle

为了清楚直观地反映螺旋形喷嘴核心区域的流场变化，在Fluent中取周期旋转面的速度和温度等值图，如图6和7所示.由图6和7可以看出，气流场具有自由发散的特性，即高温、高速气流从螺旋喷嘴喷出后的开始阶段主要集中在喷嘴中心线附近正下方区域，并且温度和速度都较大，随着到喷丝板距离的增大，射流逐步向周围环境扩散，温度扩散的范围大于速度，同时速度和温度值发生衰减，最终发散到大气环境中.

图7 螺旋形喷嘴熔喷流场的温度等值图Fig.7 Temperature contours of the melt blowing flow field of swirl nozzle

聚合物从喷嘴挤出后主要在中心区域内运动，为表征纤维在流场中的运动情况，需研究射流喷射后的运动情况，流场迹线如图8所示.从图8可以看出，6股气流射出后分别单独旋转流动一段距离后在某一位置合并，然后在很小的一段距离内保持螺旋形衰减直至最终合成一股气流向下流动.为更加清楚地说明气流的这种运动，取靠近喷嘴附近的速度矢量图，如图9所示.由图9可清楚地看出，气流在喷出至合并之前，存在一个极小的“回旋气流”区域，使得这部分流场不稳定，而出现反向流动的气流，此时各气流单独流动，使得回旋区域的流场速度值很小（图中黑色圆环标出的部分），最大速度仍然存在于气体的流入方向.综合图8和9可以看出，与工业生产中常见的狭槽形喷嘴和环形喷嘴气流场相比，螺旋形喷嘴气流场具有如下特点：

（1）6股气流从喷嘴喷出后，具有各自的旋转区域；

（2）6股气流在“合并点”之初开始逐渐汇聚为一股气流，汇聚后在一段距离内保持旋转的特点；

（3）在距离喷嘴较远处的流场远端，气流的旋转特点消失，最终合并为一股向下发散的气流并快速衰减.

图8 螺旋形喷嘴流场轨迹Fig.8 Pathlines of the flow field of swirl nozzle

图9 螺旋形喷嘴附近区域的速度矢量图Fig.9 Velocity vector near the center of swirl nozzle

靠近喷嘴附近不同z位置上的速度和温度变化如图10所示.由图10（a）可以看出，在z＝1mm和z＝3mm时，x轴上的速度曲线呈“双峰”状态，这就解释了前面提到过的回旋区域，此时中心点处的速度值最小；在z＝5mm时，曲线变为单峰，则可认为此时气流达到“合并点”.合并点之后的速度曲线都呈单峰状，并且随着z值不断增加，速度不断下降.图10（b）中显示的温度曲线与速度曲线的规律不同，不同z值的温度曲线都呈现单峰状，越靠近中心温度越高，并没有出现单双峰更替出现的情况，且随着z值的不断增加，温度呈现不断下降的趋势.这是因为温度为标量值，并不受回旋气流方向的影响，这也验证了HIETEL等[10]的研究.

3.2 模拟结果与试验结果的对比

为了验证数值模拟的有效性，将模拟数据与试验数据进行对比，结果如图11～14所示.图11为熔喷流场中心线（x＝0，y＝0）上速度和温度衰减的对比.试验中速度从z＝7.5mm开始，共测量26个点.温度测量时，由于对气体进行加热使得靠近喷嘴区域的气体温度过高，容易导致热线探头金属丝的断裂，因此，温度测量从z＝17.5mm开始，共测量22个点.从图11可以看出，速度模拟值小于试验值，温度模拟值大于试验值，但衰减趋势基本吻合.造成这种现象的原因，可能是本文对于螺旋形喷嘴的数值模拟选择了湍流中最常用的κ－ε模型，但由于螺旋形喷嘴本身几何机构的复杂性，以及所产生的螺旋形气流的复杂性，κ－ε模型并不一定是最合适的模型.在后续的研究中，还需要尝试其他模型进行模拟并选出更为合适的计算模型.

图12～14显示了不同z位置上流场的速度和温度沿x轴的分布.由图12～14可以看出，沿x方向，越靠近喷嘴中心，速度和温度值越大，变化主要集中在－5mm≤x≤5mm区域内；沿z方向，温度和速度值均随着与喷丝板距离的增大而逐渐衰减，但速度的衰减大于温度.同时也可以看出，试验和模拟结果的变化趋势基本吻合.

显然，试验中的测量点都在“合并点”之后，所以无论是速度曲线还是温度曲线都呈单峰状分布.综上所述，在合并点之前，速度曲线呈双峰形状，说明速度在中心线位置相对于其他位置较小，而在合并点之后的速度都呈单峰状，说明在同一水平位置上中心线的速度最大，且随着z值的增大速度逐渐衰减；对于温度分布，合并点之前是整个熔喷流场温度达到最大的区域，但温度的衰减也是在合并点之前就已经开始.

4 结 语

本文采用Fluent软件对螺旋形喷嘴熔喷流场进行了数值模拟及试验测量，并由三维模拟的计算结果对气流的温度和速度进行了分析，将模拟结果与试验结果进行对比，得出下述结论.

（1）Fluent软件能够实现对螺旋形喷嘴气体的流动情况和速度、温度变化的数值模拟，这对节省试验成本和时间有重要意义.

（2）通过数值模拟可知螺旋形喷嘴的熔喷流场具有螺旋特点，在流动过程中各股气流首先单独旋转流动，然后开始接触合并且在很小的一段距离内依然保持螺旋性，最后完全融合衰减，这在试验中难以观察到；

（3）数值模拟与试验结果的对比在趋势变化上趋于一致，基本吻合，在试验条件受限的情况下，可用来反映和预测熔喷核心区域流场的变化特点和规律，这为分析纤维在流场中的运动、改进聚合物的挤出条件、优化模头设计将提供重要依据；

（4）数值模拟与试验结果的对比在数值上存在一定差异，并且流场速度的测量值大于模拟值，温度的测量值小于模拟值.造成这种差异的原因，可能是本文对于螺旋形喷嘴的数值模拟选择了湍流中最常用的κ－ε模型，但螺旋形喷嘴本身结构以及所产生的螺旋形气流的复杂性，可能需要尝试多种其他模型进行对比以寻找更为合适的模型.本文仅作为对螺旋形喷嘴气流场的初探，对湍流模型的选择有待在后续的研究中做进一步的探讨.

参 考 文 献

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