数值分析喷水孔结构对水针断裂长度的影响.pdf

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1、第2 9 卷第7 期 2 0 0 8 年7 月 纺织学报 J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 9N o 7 J u l 2 0 0 8 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 8 ) 0 7 0 1 0 0 0 4 数值分析喷水孑L 结构对水针断裂长度的影响 王彩华 ( 浙江理工大学材料与纺织学院，浙江杭州3 1 0 0 1 8 ) 摘要根据水刺加工工艺要求设计了圆锥一圆柱型、流线型、圆柱一圆锥型3 种喷水孔结构。采用大型流体计算软 件( C F D ) 模拟水流流过喷水孔内部的流体流动通道，在大气中形成动

2、力水针过程，并依据数值模拟结果分析喷水孔 结构对水针断裂长度的影响。经分析认为圆锥一圆柱型喷水孔结构使水针表面易于发散形成水雾，水针断裂长度 短；流线型喷水孔结构降低了流体流动通道对水流流动的扰动程度，水针断裂长度有所提高；而圆柱一圆锥型喷水 孔结构最利于水针保持柱状结构状态，水针断裂长度最长。 关键词水针板；喷水孔；数值模拟；断裂长度 中图分类号：T S1 0 3文献标识码：A S i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ee f f e c to fh y d r o e n t a n g l i n gn o z z l eg e o m e t

3、r yo n t h eb r e a k u pl e n g t ho fw a t e r - j e t s W A N GC a i h u a ( C o l l e g eo f M a t e r i a la n dT e x t i l e ，Z h e j i a n gs d T e c hU n i v e r s i t y ，H a n g z l w u ，Z h e j i a n g3 1 0 0 1 8 ，C h 加) A b s t r a c tT h r e e s t y l e s o f h y d r o e n t a n g l i n

4、g n o z z l e sa r ed e s i g n e d d e p e n d i n g O i lt h e r e q u i r e m e n t i n h y d r o e n t a n g l i n gp r o c e s s ，t h a ti s ，c o n e c a p i l l a r yn o z z l e ，s t r e a m l i n en o z z l ea n dc a p i l l a r y c o n en o z z l e AC F I ) t e c h n i q u ei se m p l o y e

5、dt os i m u l a t et h ef o r m a t i o no ft h ew a t e r - j e t sd i s c h a r g e df r o mt h e s en o z z l e s ，a n dt h ee f f e c t o fn o z z l eg e o m e t r yo nw a t e r - j e tb r e a k u pl e n g t hi sa n a l y z e dd e p e n d i n go nt h es i m u l a t i o nr e s u l t T h ee x p e

6、r i m e n t s i n d i c a t et h a t t h ec o n e c a p i l l a r yn o z z l eg e o m e t r yn l a k e st h ew a t e rj e td i s c h a r g e df r o mt h en o z z l ef o g g e de a s i l yo n t h ew a t e rj e ts u r f a c e ，a n dt h eb r e a k u pl e n g t ho ft h ew a t e rj e ti ss h o r t e r ；t

7、 h es t r e a m l i n en o z z l eg e o m e t r ym a k e s t h ed i s t u r b a n c eo ft h en o z z l ew a l lt ot h ew a t e rf l o wi n s i d et h i sn o z z l ed e c r e a s e d ，a n dt h eb r e a k u pl e n g t ho ft h e w a t e rj e ti sl o n g e r ；a n dt h ec a p i l l a r y - c o n en o z z

8、 l eg e o m e t r yi so p t i m u mf o rw a t e rj e tt ok e e pc o l l i m a t e da n d c o h e r e n t ，a n dt h eb r e a k u pl e n g t ho ft h ew a t e rj e ti st h el o n g e s t K e yw o r d sj e ts t r i p ；h y d r o e n t a n g l i n gn o z z l e ；s i m u l a t i o n ；b r e a k u pl e n g t

9、h 水刺缠结技术利用极细的高速水针冲击纤维 网，使松散的纤维网形成非织造布。水针板是水刺 缠结系统的关键部件，水针板上带有1 排或者2 排 喷水孑L ，在水刺生产加工过程中，高压水腔内水流在 压力作用下穿过水针板喷水孔内部的流体通道，在 大气中形成高速水针并在距离喷水孔出口截面大 约1 5 4 5m m 处冲击纤维网，使纤维彼此缠结。 水刺缠结效果取决于水针冲击力的大小。在水 刺非织造布加工过程中。为了提高水针冲击力，加强 水刺缠结效果，要求喷水孔结构设计合理，使喷水孔 产生水针的集束性好，不易发散形成水雾。一旦水 针完全发散成水雾，它所携带的动能将被分散在很 多微细液滴内，水针就失去了促使纤

10、维彼此缠结的 能力。 水针断裂长度是指水射流流束完全发散成为水 雾时，水射流流束保持柱状结构状态的长度心3 。水 针断裂长度是标志水针优劣的重要指标之一，也是 设置水刺工艺距离的重要参考因素。研究表明，在 相同压力条件下，水针断裂长度主要由喷水孔结构 决定1 。本文根据水刺加工工艺要求设计了喷水孔 收稿日期：2 0 0 7 0 7 1 3修回日期- 2 0 0 7 1 0 1 6 作者简介：王彩华( 1 9 7 2 一) ，女，讲师，博士。主要研究方向为非织造技术与产品开发。E m a i l ：c a i h u a w a n g z a t u e d u c n 。 万方数据 PDF

11、Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第7 期王彩华：数值分析喷水孔结构对水针断裂长度的影响 1 0 1 结构，采用大型流体计算软件( C F D ) 模拟高压水流 流过喷水孔内部流体流动通道，在大气中形成动力 水针过程，并依据数值模拟结果分析了喷水孔结构 对水针断裂长度的影响。 1 喷水孔结构 在水刺加工工艺中，水针板厚度为1m m ，喷水 孔直径d ( 喷水孔直径是指喷水孔最小截面直径) 在 0 0 6 0 1 2n H n 之间，则喷水孔长径比为8 1 7 J 。

12、根据工程流体力学原理与水刺工艺实际情况，把喷 水孔设计为圆锥一圆柱型、流线型、圆柱一圆锥型3 种 结构，其结构见图1 。喷水孔结构主要参数有喷水 孑L 直径d 、长径比y ( 喷水孔长径比是指喷水孑L 圆柱 段长度z 与直径d 的比值) 、圆锥角度口。为了预测 喷水孔结构对水针断裂长度的影响，确定喷水孔结 构参数取值如下。 圆锥一圆柱型：d = 0 1m m ，y = 1 ，0 = 1 4 0 。 流线型：d = 0 1n l l n ，0 = 1 4 0 。 圆柱一圆锥型：d = 0 1 2 8n l l n ，y = 1 ，0 = 1 4 。 图1 喷水孔结构 F i g 1 N o z

13、z l eg e o m e t r y 2数值模拟 2 1 数值计算模型与网格划分 数值计算模型包括高压水腔区域、喷水孔与外 部的大气区域。本文采用结构化网格离散数值计算 区域。为使数值模拟计算结果具有可比性，在计算 模型内生成网格时遵守以下原则：1 ) 在圆锥一圆柱 型、流线型、圆柱一圆锥型喷水孔内相对应的部分配 置同等密集的网格；2 ) 流场内各区域配置的网格足 够细密，以至于进一步加密网格对数值计算结果没 有影响。 2 2 两相流流动模型与求解方法 在数值计算区域，存在水与空气两相流体。根 据水刺工艺实际情况，确定数值计算模型内的流体 流动属于水与空气的分相流流动。本文采用V O F

14、数值求解方法计算流场各点的流体密度，并预测水 与空气两相流体在数值计算区域内的分布情况。 2 3 流体流动规律与求解方法 在判断水与空气两相流的流动规律时，高压水 腔内的平均静压为3M P a ，这是水刺加工工艺中的 最低压力，则射流流场的雷诺数船为44 5 0 。由 于射流流场的雷诺数比界定流场流动规律的临界雷 诺数高，因此设定此高压高速射流场为湍流流动。 在数值模拟中，旺盛湍流区域求解方法为R N Gk e 两方程模型，近壁区求解方法为壁面函数法。 3 数值模拟结果与分析 影响水针断裂长度的主要因素有初始水针径向 速度的分布、湍流强度分布以及水流在喷水孔内的 空化情况M 1 。依据初始水针

15、径向速度分布、湍流强 度分布以及水流在喷水孔内的空化情况预测喷水孔 结构对水针断裂长度的影响。 3 1 初始水针径向速度分布 初始水针径向速度分布是指在喷水孔出口截面 水流平均流动速度的分布。初始水针径向速度分布 越均匀，水针保持黏连柱状的长度越长怕。 图2 示出初始水针径向速度的分布情况，其中 坐标原点为喷水孔出口截面的圆心，r 为沿水针径 向某一点到截面圆心的距离，d 。为水针直径。依据 初始水针径向速度分布情况，在同一压力条件下，水 针径向速度分布以r = 0 4 d 。为分界点，在r 0 4 d 。区域，圆锥一圆柱型、流线型、圆柱一圆锥型喷 水孔产生的水针各点流动速度基本相等；而在 0

16、 4 d 。 r 0 5 d 。之间的边界层区域，水针流动速 度随着水针半径的增加呈逐渐下降趋势。由于水流 流过喷水孔时受到的摩擦阻滞作用不同，当喷水孔 为圆锥一圆柱型、流线型结构时，随着水针半径的增 加水针流动速度下降幅度较大，而当喷水孔为圆柱一 圆锥型结构时，随着水针半径的增加水针流动速度 下降幅度非常小。根据初始水针径向速度分布情况 而言，在同一压力条件下，由流线型喷水孔产生水针 的断裂长度等于由圆锥一圆柱型喷水孔产生水针的 断裂长度；而由圆柱一圆锥型喷水孔产生水针的断裂 长度比由流线型、圆锥一圆柱型喷水孔产生水针的断 裂长度长。 万方数据 PDF Watermark Remover D

17、EMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 0 2 纺织学报 第2 9 卷 f 粤 县 寇 龋 0 IO 20 30 40 5 d w 图2 初始水针径向速度分布 F i g 2 R a d i a lv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no fo r i g i n a lw a t e r - j e t 3 2 初始水针湍流强度分布 初始水针湍流强度是指在喷水孔出口截面水流 流动速度脉动量与平均速度之比7 1 。水针初始湍流 强度越高，水流越易断裂形成水雾，水针断裂长

18、度越 短引。 图3 示出初始水针湍流强度分布情况。在同一 压力条件下，由流线型喷水孑L 产生水针的各点湍流 强度近似等于由圆锥一圆柱型喷水孔产生水针的各 点湍流强度；而由圆柱一圆锥型喷水孔产生水针的各 点湍流强度比由圆锥一圆柱型、流线型喷水孔产生水 针的各点湍流强度要低得多。从初始水针湍流强度 分布情况来看，在同一压力条件下，由流线型喷水孔 产生水针的断裂长度等于由圆锥一圆柱型喷水孔产 生水针的断裂长度；而由圆柱一圆锥型喷水孔产生水 针的断裂长度比由圆锥一圆柱型、流线型喷水孔产生 水针的断裂长度长。 莲 魁 饕 袭 图3 初始水针湍流强度分布 F i g 3 T u r b u l e n c

19、 ei n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no fo r i g i n a lw a t e r - j e t 3 3 喷水孔内水流的空化 空化是指流场局部压力低于水蒸气压力，从而 在液流内产生气泡，且气泡在高压区域破裂这一过 程。空化现象强烈扰动液流流动，因此，如果水流在 喷水孔内发生空化，产生的水针就容易断裂形成 水雾b 。 图4 示出水流在圆锥一圆柱型、流线型、圆柱一圆 锥型喷水孔内的空化情况，其中阴影部分为水流发 生空化的区域，且阴影深浅程度代表了水流发生空 化的严重程度。当水流流过喷水孔时，水流在圆锥一 圆柱型、流线型喷水孑L 内发生空化，

20、在圆柱一圆锥型 喷水孔内不发生空化；水流在圆锥一圆柱型内空化情 况比在流线型喷水孔内空化情况严重得多，且随着 高压水腔压力的增加，水流空化情况加重。喷水孑L 内水流的空化情况说明，相对于圆锥一圆柱型结构， 流线型流体流动通道结构有利于降低水流在喷水孑乙 内的空化程度，水针断裂长度增长，而圆柱一圆锥型 流体流动通道结构彻底消除了水流在喷水孑L 内发生 空化，最利于水针保持柱状结构状态。 W 、广r WI一刚 、一 丌WW W j上上j小 ，、 注：由左至右高压水腔压力依次为3 、6 、9 、1 2M e a 。 图4 喷水孔内水流的空化 F i g 4 C a v i t a t i o n s

21、i n s i d eh y d r o e n t a n g l i n gn o z z l e s 4结论 综合分析喷水孔结构对初始水针径向速度分 布、湍流强度分布以及水流在喷水孔内空化情况的 影响，认为圆锥一圆柱型喷水孔结构使水针表面易于 发散形成水雾，水针断裂长度短；流线型喷水孔的平 滑曲面结构降低了流体流动通道对水流流动的扰动 程度，水针断裂长度有所提高；而圆柱一圆锥型喷水 孔结构最有利于水针保持柱状结构状态，水针断裂 长度最长，因此，圆柱一圆锥型结构是水刺加工的最 佳喷水孔结构。 加如 加 加0 o 咖咖啪瑚枷姗删姗抛啪 万方数据 PDF Watermark Remover D

22、EMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第7 期 王彩华：数值分析喷水孔结构对水针断裂长度的影响 。1 0 3 参考文献： 1 V a h e d iT a f r e s h iH ，P o u r d e y h i m iB ，H o l m e sR ，e ta 1 S i m u l a t i n g a n d c h a r a c t e r i z i n g w a t e rf l o w si n s i d e h y d r o e n t a n g l i n go i i f

23、 i c e s J T e x t i l eR e s e a r c hJ o u r n a l ， 2 0 0 3 ，7 3 ( 3 ) ：2 5 6 2 6 2 2 魏亚东闻德荪，李兆年，等工程流体力学 M 北 京：中国建筑工业出版社，1 9 8 9 ：2 4 1 3J V a h e d iT a f r e s h i H ，P o u r d e y h i m iB S i m u l a t i n gc a v i t a t i o n a n dh y d r a u l i cf l i pi n s i d eh y d r c m n t a n g l i

24、n gn o z z l e s J T e x t i l e R e s e a r c hJ o u r n a l ，2 0 0 4 ，7 4 ( 4 ) ：3 5 9 3 6 4 G h a s s e m i e hE 。V e r s t e e gHK ，A c a rM E f f e c to fn o z z l e g e o m e t r yo nt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so fh y d r o e n t a n g l i n g j e t s J T e x t i l eR e s e a r c

25、hJ o u r n a l ，2 0 0 3 ，7 3 ( 5 ) ：4 4 4 4 5 0 W a n gC a i h u a ，J i nX i a n g y u ，W a n gS h a n y u a n T h e c o n t r a c t i o n ，v e l o c i t y a n d d i s c h a r g e c o e f f i c i e n t so f h y d r o e n t a n g l i n gn o z z l e s J C h e m i c a lF i b e r sI n t e r n a t i o n

26、a l ， 2 0 0 6 ，5 6 ( 3 ) ：1 8 9 1 9 0 L i nSP ，R a i zRD D r o pa n ds p r a yf o r m a t i o nf r o ma l i q u i d j e t J A n nR e vF l u i dM e c h ，1 9 9 8 ( 3 0 ) ：8 5 1 0 5 刘应中，廖国平高等流体力学 M 上海：上海交通 大学出版社，2 0 0 2 ：1 9 5 。- 一- 一+ - - - _ ，_ - 一- l 一- - - 。- 1 _ - I 一，l _ - 。“_ “一。_ r - - _ v _ 一_

27、 一 - _ m 十I 。_ 2 0 0 8 年纺织科学技术学科发展研究正式启动 为深入贯彻全国科技大会精神和落实国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) ，推进学 科交叉、融合与渗透，促进多学科协调发展，促进原始创新能力的提升，进一步发挥全国学会作为国家创新体 系重要组成部分的作用，中国科协从2 0 0 6 年起建立了学科发展研究及发布制度。依据中国科协学科发展 研究项目管理实施办法( 试行) ，中国科协已经启动了2 0 0 8 年的学科发展研究工作，中国纺织工程学会将承 担纺织科学技术学科发展的研究任务。 2 0 0 8 年纺织科学技术学科发展研究项目的首席

28、科学家为中国工程院院士梅自强先生，集中了江南大 学、东华大学、天津工业大学、苏州大学、浙江理工大学、中国纺织信息中心、中国纺织科学研究院、中国纺织 机械器材工业协会、上海市服装研究所等单位的优势科研力量，对纺织工业综合、纤维与材料、纺纱工程、机 织工艺与产品设计、针织工艺与产品设计、纺织化学及染整工程、服装设计与工程、纺织复合材料、家用纺织 品设计与工程、纺织机械等1 0 个子项目进行研究。 2 0 0 8 年纺织科学技术学科发展研究将在2 0 0 6 年的基础上，对最近两年我国纺织学科的发展进行专门研 究、分析和总结，研究比较国内外学科发展状况，分析我国相应学科的战略需求，研究未来几年内纺织学科发 展趋势并提出我国纺织学科发展策略和对策。 按照中国科协的统一部署，2 0 0 8 年纺织科学技术学科发展研究将在年底前完成，在2 0 0 9 年4 月召开的 中国科协学术建设发布会上将与读者正式见面。 ( 方雪) 1 J 1 J 1 J 1 J 4 5 6 7 r【rL r L r L 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark