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
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- 数值 分析 喷水 结构 断裂 长度 影响
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