水刺高壓水腔流場分布及其對非織造材料性能和工程能耗影響的研究.pdf

1、產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)已成為紡織工業(yè)中最具前瞻性和戰(zhàn)略機遇的新興產(chǎn)業(yè),而水刺非織造技術則是產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)中發(fā)展最迅速的非織造加固工藝,2001-2010年間我國水刺非織造布生產(chǎn)能力年均增幅超過30％。水刺加固工藝利用高能量水針的沖擊力賦予水刺非織造材料良好的強度、手感及透氣性且無任何化學粘合劑,因此水刺非織造材料以其獨特的性能廣泛應用醫(yī)療、衛(wèi)生、個人護理、服裝、家居等民生領域。然而,高能量水針的產(chǎn)生及工藝水凈化、循環(huán)等工序的高能耗也是水刺非

2、織造材料成本居高不下的重要原因,并在一定程度上制約了水刺技術的進一步發(fā)展壯大,日產(chǎn)10-15t水刺非織造材料生產(chǎn)線每小時循環(huán)水量為150-250t。因此,研究水腔結(jié)構(gòu)對水刺系統(tǒng)工程能耗的影響對于水刺技術節(jié)能減排具有重要意義。高壓水腔是水刺非織造技術中分配和利用高壓工藝水能量的關鍵部件,其對工藝水流的分配對水刺非織造材料的性能及工程能耗有重要影響。但由于水腔內(nèi)部為高壓封閉流場,難以通過試驗方法對水腔內(nèi)的流場分布進行觀察和分析,因此本文采用

3、數(shù)值模擬的方法對水刺非織造技術中的多孔式和狹縫式兩種高壓水腔內(nèi)部的流場分布進行研究,進而通過分析其對水刺非織造材料性能及水刺系統(tǒng)工程能耗的影響,驗證數(shù)值模擬結(jié)果的可信性,為水腔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。本文的研究工作主要分三部分:第一,流體力學理論分析和數(shù)值模擬,采用數(shù)值模擬方法對多孔式和狹縫式高壓水腔內(nèi)三維流場進行分析和表征;并進一步研究水腔主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對水腔流場的影響及進化策略在水腔優(yōu)化設計應用中的有效性。第二,研究水腔結(jié)構(gòu)對水刺

4、非織造材料物理機械性能的影響,驗證數(shù)值模擬結(jié)果的可信性。第三,研究實際工程應用中多孔式和狹縫式水腔對水刺系統(tǒng)工程能耗的影響,進一步驗證數(shù)值模擬結(jié)果的可信性,并為水刺系統(tǒng)的節(jié)能減排提供理論依據(jù)。各部分主要內(nèi)容及結(jié)論如下:(1)建立多孔式和狹縫式高壓水腔內(nèi)流場的計算流體動力學模型,并通過有限體積法對模型的控制方程進行離散,采用穩(wěn)態(tài)、隱式求解器、RealizableK-ε模型和基于交錯網(wǎng)格的SIMPLE算法通過專業(yè)流體計算軟件Fluent模擬

5、了工藝壓力為8.0-12.0MPa時兩種水腔內(nèi)流體的分布特征,分析了兩種水腔內(nèi)部的流場分布及其出流面中心線處流體速度和壓力沿長度方向的變異系數(shù)(CV值)隨工藝壓力的變化,并通過單因子分析法進一步分析了各結(jié)構(gòu)參數(shù)需要優(yōu)化調(diào)整的方向。結(jié)果表明狹縫式水腔出流面上流體的速度變異系數(shù)約是多孔式水腔的兩倍,且隨著工藝壓力的增大,二者的差距進一步增大,而多孔式水腔的變異系數(shù)幾乎為常數(shù);二者的壓力變異系數(shù)在工藝壓力為8.0MPa時相差無幾,但隨著壓力的

6、增大,狹縫式水腔出流面上的壓力變異系數(shù)也是逐漸增加的,多孔式水腔的壓力變異系數(shù)則同樣幾乎為常數(shù)。值得注意的是二者的壓力變異系數(shù)值都非常小,均為10-3數(shù)量級。在單因子分析的基礎上采用進化策略和三維數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分別對多孔式和狹縫式水腔進行優(yōu)化設計初探。以出流面中心線處流體沿長度方向速度分布的CV值為目標函數(shù),分別以多孔式水腔的分流孔中心距D2、均流棒半徑R3和狹縫式水腔的圓筒均流器半徑R3’、出流狹縫寬度D’為目標變量,采用(3,

7、12)-ES進化策略進行全局搜索最優(yōu)目標變量,然后通過建立和模擬新的模型計算每一組變量的目標函數(shù)值,并反復執(zhí)行搜索和模擬計算操作,直到達到終止條件。多孔式水腔的優(yōu)化在進化了14代后搜索到最優(yōu)目標變量值(D2=18.4227mm,R3=9.9830mm),狹縫式水腔的優(yōu)化在進化了17代后搜索到最優(yōu)目標變量值(R3’=25.5444mm,D’=2.3759mm),優(yōu)化后多孔式和狹縫式水腔出流面中心線處流體速度的CV值分別為0.9681%和1

8、.7033%。(2)分別采用多孔式和狹縫式水腔在不同工藝壓力下制備了15組面密度和花紋結(jié)構(gòu)不同的水刺非織造試驗材料,以研究水腔結(jié)構(gòu)對水刺材料性能的影響。對試驗所得非織造材料的力學性能、纖維纏結(jié)性能、透通性及孔徑分布等性能進行了分析。試驗結(jié)果表明在相同的水腔壓力配置時,多孔式水腔試驗材料的縱橫向強力和纖維纏結(jié)系數(shù)均大于狹縫式水腔水刺頭所加固的非織造材料;試驗材料幅寬方向的性能分布與水腔內(nèi)流場分布及出流面中心線處流體速度和壓力分布的CV值具

9、有很好的一致性;多孔式水腔試驗材料的強度和纏結(jié)系數(shù)較大,幅寬方向(CD)透氣性較均勻且泡點孔徑較小,而數(shù)值模擬結(jié)果表明多孔式水腔內(nèi)壓力和速度分布比較均勻,且水腔出流面上流體的速度和壓力變異系數(shù)較小。(3)研究實際工程中多孔式和狹縫式水腔結(jié)構(gòu)對水刺系統(tǒng)工程能耗的影響,跟蹤記錄了6條水刺工程生產(chǎn)線(其中多孔式和狹縫式水刺生產(chǎn)線各3條)18個月期間每月的產(chǎn)量、耗水量和耗電量。分析得出多孔式水刺系統(tǒng)的單位標準品耗水量、耗電量以及綜合能耗均低于狹