基于Fluent的螺旋形噴嘴熔噴流場的數值模擬和試驗

杜利娟，曾泳春

（東華大學 紡織學院，上海 201620）

熔噴技術是生產非織造材料的一種方法，在熔噴紡絲過程中，高壓、高溫氣流作用于熔融聚合物，使得聚合物射流拉伸變細，然后逐漸凝固成絲，氣流的速度和溫度是熔噴氣流拉伸模型中的重要條件，而噴嘴的結構又將影響氣流的速度和溫度分布.現有文獻對熔噴氣流場的研究多集中于常見的環形噴嘴[1－3]和狹槽形噴嘴[4－6]，而 對 螺 旋 形 噴 嘴 的 研究較少.文獻[7]指出，螺旋形噴嘴主要應用于控制黏合劑以特定的形態沉淀附著在某種基質上，螺旋形噴嘴的流體動力學是一個非常復雜的湍流形態，且這種復雜可能是由氣體的螺旋性、局部高速性、噴嘴微小的尺寸特征和復雜的幾何特征引起的.為了探討這種特殊的噴嘴對于熔噴流場及紡絲的作用，本文以螺旋形噴嘴為研究對象，對氣流場的速度和溫度進行數值模擬和試驗驗證.

1 數值模擬

1.1 熔噴流場幾何模型的建立及網格劃分

螺旋形噴嘴的幾何結構及尺寸如圖1所示.數值模擬所采用的軟件是Fluent 6.3，它是用于模擬和分析在復雜幾何區域內的流體流動與熱交換問題的專用計算流體動力學（CFD）軟件[8].其中，Gambit為Fluent的前處理軟件，用于模型建立和網格劃分.螺旋形噴嘴具備周期性旋轉的幾何特點，為方便計算及節省時間，取其中的1／6為模型，系統坐標原點為噴嘴中心，x軸穿過進氣孔中心面，y軸垂直于x軸，z軸正方向垂直于噴嘴表面向上.整個噴嘴下方的計算區域定義為一圓柱形，高度為70mm，圓面直徑為D，進氣孔入口直徑為d，旋轉角度為θ，6個進氣孔以α（60°）等角度排列在噴嘴聚合物入口的周圍，如圖2所示.

圖1 螺旋形噴嘴結構Fig.1 Structure of swirl nozzle

圖2 螺旋形噴嘴CFD模型Fig.2 CFD model of swirl nozzle

網格劃分中，面網格為四邊形和三角形非結構性網格，體網格通常采用四面體和六面體網格，但螺旋形噴嘴因其較為復雜的幾何形狀，不適合在整個計算區域內使用同一類型的網格.本文采用混合型體網格，即在靠近模頭面區域采用六面體網格，其余采用四面體網格.初始化網格數量為1 468 794.

1.2 邊界條件的設置

熔噴流場屬于穩態流動，不需要設置初始條件，計算區域的邊界條件設置如圖3所示.入口處壓力為141.855kPa，在該壓強下空氣可壓縮，材料屬性設置為可壓縮理想氣體.由于整個區域關于中心軸周期性旋轉，因此，取其中的1／6模型進行計算.具體邊界條件如下所述.

（1）壓力入口邊界：噴嘴入口處由空氣壓縮機提供高溫高速氣流，為壓力入口邊界.根據Fluent中各項參數條件的定義，設置6個噴嘴的入口總壓均為141.855kPa，溫度為473K，氣流速度入口方向與螺旋氣孔傾斜角度一致.壓力入口的脈動強度為10%，根據噴孔直徑設置水力直徑為0.5mm.

（2）壓力出口邊界：氣體射流從螺旋噴嘴射出后，在噴嘴下方區域自由擴散，氣體出口邊界為大氣環境，因此出口壓力為101.325kPa，溫度為300K，壓力出口脈動強度為10%，根據噴嘴表面直徑設置水力直徑為30mm.

（3）周期性邊界：由于本文建立的是噴嘴的1／6部分，因此存在兩個周期性旋轉界面，界面類型設置為Rotational，壓力變化為0Pa.

（4）壁面邊界：噴嘴的其余面設置為壁面，保留默認設置.

圖3 螺旋形噴嘴流場的邊界條件Fig.3 Boundary conditions of the flow field of swirl nozzle

1.3 求解器與計算模型

Fluent默認使用分離式求解器，但對于高速可壓縮理想氣體的流動，耦合求解器更為合適.本文采用基于密度的隱式求解器.熔噴流場為湍流模型，選擇標準κ－ε模型，波動參數Cε1和Cε2分別為1.24和2.05[9].迭代的初始柯朗數“Courant Number”設為1，離散格式為一階迎風，然后根據迭代穩定性的提高可逐漸調大Courant Number來加快收斂速度，同時將離散格式改為二階迎風來提高迭代精度.

1.4 計算與收斂判斷

在Fluent中設置上述參數條件后，開始初始化迭代計算.計算的收斂可通過殘差曲線來判斷，通常殘差達到10－3即可認為達到收斂.同時設置入口和出口質量監視曲線，對方程組解的收斂過程進行實時監測，并根據出現的問題調整相關設置，直至達到指定收斂精度，迭代結束.本次模擬在迭代70 000次后質量流量基本保持在0左右，說明進口與出口的氣體流量符合質量守恒.計算90 000次后，殘差曲線波動基本保持不變，且各指標殘差均達到10－4以下，則判斷解收斂.

2 螺旋形噴嘴流場的試驗測量

本文對熔噴流場的測量采用丹麥丹迪公司設計生產的熱線風速儀，型號為 Dantec CTA／HWA（Streamline），包括 Dantec StreamLine CTA 90C10測速模塊和 Dantec StreamLine CTA 90C20測溫模塊.熔噴設備是實驗室自行設計的熔噴實驗機.熔噴設備中空氣壓縮機提供的高壓氣體被熔噴機加熱后從噴嘴的6個進氣孔中噴出，匯聚在噴嘴下方，安裝在噴嘴下方三維支架上的熱線探頭對流場進行測量.探頭直徑為5μm，探頭支架的寬度為1.2mm，支架移動精度為0.01mm，試驗設備配置如圖4所示.

圖4 試驗配置圖Fig.4 Experimental configuration

螺旋形噴嘴的氣流集中在噴嘴中心線附近，因此，測量x-z平面和y-z平面，兩平面上的測量點分布相同，分布范圍為－30.0mm≤x≤30.0mm；－30.0mm≤y≤30.0mm；7.5mm≤z≤70.0mm.由于靠近噴嘴中心附近流場變化較快，在x軸和y軸方向上，對區域－8.0mm≤x≤8.0mm和－8.0 mm≤y≤8.0mm進行加密測量，每隔1mm測量一個點，其他區域內每隔5mm測量一個點，共計27個點；在z軸方向上，每隔2.5mm測量一個點，共測26個點.x-z平面上測量點分布如圖5所示.由于x和y方面的測量點分布相同，故y-z平面上的測量點分布同圖5.

圖5 螺旋形噴嘴試驗測量點分布Fig.5 Distribution of experimental measuring position of swirl nozzle

3 結果與討論

3.1 模擬結果顯示與分析

圖6 螺旋形噴嘴熔噴流場的速度等值圖Fig.6 Velocity contours of the melt blowing flow field of swirl nozzle

為了清楚直觀地反映螺旋形噴嘴核心區域的流場變化，在Fluent中取周期旋轉面的速度和溫度等值圖，如圖6和7所示.由圖6和7可以看出，氣流場具有自由發散的特性，即高溫、高速氣流從螺旋噴嘴噴出后的開始階段主要集中在噴嘴中心線附近正下方區域，并且溫度和速度都較大，隨著到噴絲板距離的增大，射流逐步向周圍環境擴散，溫度擴散的范圍大于速度，同時速度和溫度值發生衰減，最終發散到大氣環境中.

圖7 螺旋形噴嘴熔噴流場的溫度等值圖Fig.7 Temperature contours of the melt blowing flow field of swirl nozzle

聚合物從噴嘴擠出后主要在中心區域內運動，為表征纖維在流場中的運動情況，需研究射流噴射后的運動情況，流場跡線如圖8所示.從圖8可以看出，6股氣流射出后分別單獨旋轉流動一段距離后在某一位置合并，然后在很小的一段距離內保持螺旋形衰減直至最終合成一股氣流向下流動.為更加清楚地說明氣流的這種運動，取靠近噴嘴附近的速度矢量圖，如圖9所示.由圖9可清楚地看出，氣流在噴出至合并之前，存在一個極小的“回旋氣流”區域，使得這部分流場不穩定，而出現反向流動的氣流，此時各氣流單獨流動，使得回旋區域的流場速度值很小（圖中黑色圓環標出的部分），最大速度仍然存在于氣體的流入方向.綜合圖8和9可以看出，與工業生產中常見的狹槽形噴嘴和環形噴嘴氣流場相比，螺旋形噴嘴氣流場具有如下特點：

（1）6股氣流從噴嘴噴出后，具有各自的旋轉區域；

（2）6股氣流在“合并點”之初開始逐漸匯聚為一股氣流，匯聚后在一段距離內保持旋轉的特點；

（3）在距離噴嘴較遠處的流場遠端，氣流的旋轉特點消失，最終合并為一股向下發散的氣流并快速衰減.

圖8 螺旋形噴嘴流場軌跡Fig.8 Pathlines of the flow field of swirl nozzle

圖9 螺旋形噴嘴附近區域的速度矢量圖Fig.9 Velocity vector near the center of swirl nozzle

靠近噴嘴附近不同z位置上的速度和溫度變化如圖10所示.由圖10（a）可以看出，在z＝1mm和z＝3mm時，x軸上的速度曲線呈“雙峰”狀態，這就解釋了前面提到過的回旋區域，此時中心點處的速度值最小；在z＝5mm時，曲線變為單峰，則可認為此時氣流達到“合并點”.合并點之后的速度曲線都呈單峰狀，并且隨著z值不斷增加，速度不斷下降.圖10（b）中顯示的溫度曲線與速度曲線的規律不同，不同z值的溫度曲線都呈現單峰狀，越靠近中心溫度越高，并沒有出現單雙峰更替出現的情況，且隨著z值的不斷增加，溫度呈現不斷下降的趨勢.這是因為溫度為標量值，并不受回旋氣流方向的影響，這也驗證了HIETEL等[10]的研究.

3.2 模擬結果與試驗結果的對比

為了驗證數值模擬的有效性，將模擬數據與試驗數據進行對比，結果如圖11～14所示.圖11為熔噴流場中心線（x＝0，y＝0）上速度和溫度衰減的對比.試驗中速度從z＝7.5mm開始，共測量26個點.溫度測量時，由于對氣體進行加熱使得靠近噴嘴區域的氣體溫度過高，容易導致熱線探頭金屬絲的斷裂，因此，溫度測量從z＝17.5mm開始，共測量22個點.從圖11可以看出，速度模擬值小于試驗值，溫度模擬值大于試驗值，但衰減趨勢基本吻合.造成這種現象的原因，可能是本文對于螺旋形噴嘴的數值模擬選擇了湍流中最常用的κ－ε模型，但由于螺旋形噴嘴本身幾何機構的復雜性，以及所產生的螺旋形氣流的復雜性，κ－ε模型并不一定是最合適的模型.在后續的研究中，還需要嘗試其他模型進行模擬并選出更為合適的計算模型.

圖12～14顯示了不同z位置上流場的速度和溫度沿x軸的分布.由圖12～14可以看出，沿x方向，越靠近噴嘴中心，速度和溫度值越大，變化主要集中在－5mm≤x≤5mm區域內；沿z方向，溫度和速度值均隨著與噴絲板距離的增大而逐漸衰減，但速度的衰減大于溫度.同時也可以看出，試驗和模擬結果的變化趨勢基本吻合.

顯然，試驗中的測量點都在“合并點”之后，所以無論是速度曲線還是溫度曲線都呈單峰狀分布.綜上所述，在合并點之前，速度曲線呈雙峰形狀，說明速度在中心線位置相對于其他位置較小，而在合并點之后的速度都呈單峰狀，說明在同一水平位置上中心線的速度最大，且隨著z值的增大速度逐漸衰減；對于溫度分布，合并點之前是整個熔噴流場溫度達到最大的區域，但溫度的衰減也是在合并點之前就已經開始.

4 結 語

本文采用Fluent軟件對螺旋形噴嘴熔噴流場進行了數值模擬及試驗測量，并由三維模擬的計算結果對氣流的溫度和速度進行了分析，將模擬結果與試驗結果進行對比，得出下述結論.

（1）Fluent軟件能夠實現對螺旋形噴嘴氣體的流動情況和速度、溫度變化的數值模擬，這對節省試驗成本和時間有重要意義.

（2）通過數值模擬可知螺旋形噴嘴的熔噴流場具有螺旋特點，在流動過程中各股氣流首先單獨旋轉流動，然后開始接觸合并且在很小的一段距離內依然保持螺旋性，最后完全融合衰減，這在試驗中難以觀察到；

（3）數值模擬與試驗結果的對比在趨勢變化上趨于一致，基本吻合，在試驗條件受限的情況下，可用來反映和預測熔噴核心區域流場的變化特點和規律，這為分析纖維在流場中的運動、改進聚合物的擠出條件、優化模頭設計將提供重要依據；

（4）數值模擬與試驗結果的對比在數值上存在一定差異，并且流場速度的測量值大于模擬值，溫度的測量值小于模擬值.造成這種差異的原因，可能是本文對于螺旋形噴嘴的數值模擬選擇了湍流中最常用的κ－ε模型，但螺旋形噴嘴本身結構以及所產生的螺旋形氣流的復雜性，可能需要嘗試多種其他模型進行對比以尋找更為合適的模型.本文僅作為對螺旋形噴嘴氣流場的初探，對湍流模型的選擇有待在后續的研究中做進一步的探討.

參 考 文 獻

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