CN102799742B - 熔喷丝条直径和侧向运动预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种熔喷丝条直径和侧向运动预测方法，包括：（1）获取原料、设备和工艺参数；（2）计算气流速度分布和气体温度分布；（3）利用熔喷聚合物纺丝拉伸模型计算丝条直径和丝条侧向运动位移。本发明可以由原料性能、设备参数和工艺参数预测熔喷丝条直径和丝条侧向运动位移，提高了熔喷非织造布产品质量和优化了熔喷非织造工艺与设备。

Description

熔喷丝条直径和侧向运动预测方法

技术领域

本发明属于纺织领域，特别涉及一种熔喷丝条直径和侧向运动预测方法。

背景技术

熔喷法是加工非织造布的一种重要方法。熔喷非织造布具有纤维细，结构蓬松，孔隙多而孔隙尺寸小等优点，过滤效率可达99.9%以上，不仅可用作一般的气固相和液固相过滤材料，广泛用于冶金、矿山、化工、医药、机械、电子、食品、核工业、环保、汽车等领域，还可用作环境净化和生物洁净的高级过滤材料。

丝条直径是熔喷非织造布最重要的质量指标之一，受到非织造行业和相关行业的极大关注。丝条在高速高温气流作用下拉伸变细后，又被气流夹带着向前运行，到达接收装置后形成纤网。在纤网形成前，丝条在气流作用下会在垂直于喷丝孔轴线方向发生运动（简称侧向运动），这种侧向运动将导致丝条不是沿垂直于接收装置的方向落到该装置上，而是以一定角度落上去。这就会对纤网中纤维的排布方向产生直接影响，进而影响到非织造布结构与性能的方向性。

生产者和使用者都希望熔喷非织造布的结构与性能分布越均匀越好，最好是各向同性。如果能够建立一种能够预测熔喷丝条直径和侧向运动的方法，对丝条拉伸情况和运动状态进行模拟，就可以对熔喷非织造布的丝条直径和结构与性能的方向性进行预测，从而通过工艺和设备的优化设计制备出纤维更细、均匀度更高的非织造布。

中国专利第200610117086.1公开了一种聚合物挤出法非织造布纤维直径预测方法，但这种方法只能预测纤维直径，无法模拟丝条侧向运动，从而无从预知非织造布结构与性能的方向性。在实际生产中，只能依靠经验判断熔喷非织造布的均匀性。当原料或加工条件变化时，靠经验预测的结果与实际情况常常有很大差异，此时就必须进行探索性试验，通过对试验结果进行分析，然后调整工艺或设备，再进行试验，直到获得期望的结果。这种方式将显著增加物料、人力、能源的消耗，使生产成本大大提高，还得花费大量时间。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明解决的技术问题是提供一种熔喷丝条直径和侧向运动预测方法，可以同时对丝条的直径以及丝条的侧向运动进行预测，进而减少物料、人力、能源的消耗，降低生产成本。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明公开了一种熔喷丝条直径和侧向运动预测方法，其步骤包括：

（1）获取原料、设备和工艺参数；

（2）计算气流速度分布和气体温度分布；

（3）利用熔喷聚合物纺丝拉伸模型计算丝条直径和丝条侧向运动位移，所述熔喷聚合物纺丝拉伸模型是将丝条离散为一系列珠子，珠子之间通过聚合物小段连接，该模型包括连续方程、动量方程、能量方程和本构方程，

其中，

连续方程：

$\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_{\mathrm{ui}}^2{l}_{\mathrm{ui}}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_0^2{l}_0$

$\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_{\mathrm{di}}^2{l}_{\mathrm{di}}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_0^2{l}_0$

动量方程：

$m_i\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{xi}}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{Fr}}_{u,x,i}+{\mathrm{Fr}}_{d,x,i}+{\mathrm{Fd}}_{\mathrm{xi}}+{\mathrm{Fs}}_{\mathrm{xi}}$

$m_i\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{yi}}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{Fr}}_{u,y,i}+{\mathrm{Fr}}_{d,y,i}+{\mathrm{Fd}}_{\mathrm{yi}}+{\mathrm{Fs}}_{\mathrm{yi}}$

$m_i\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{zi}}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{Fr}}_{u,z,i}+{\mathrm{Fr}}_{d,z,i}+{\mathrm{Fd}}_{\mathrm{zi}}+m_{i}g$

能量方程：

$m_i{C}_p\frac{{\mathrm{d\θ}}_i}{\mathrm{dt}}=-h_i\mathrm{\π}{D}_{\mathrm{ui}}\frac{l_{\mathrm{ui}}}{{\cos \mathrm{\β}}_i{\sin \mathrm{\α}}_i}({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_a)$

本构方程：

$\frac{{\mathrm{d\σ}}_{\mathrm{ui}}}{\mathrm{dt}}=\frac{G}{l_{\mathrm{ui}}}\frac{{\mathrm{dl}}_{\mathrm{ui}}}{\mathrm{dt}}-\frac{G}{\mathrm{\η}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ui}}$

$\frac{{\mathrm{d\σ}}_{\mathrm{di}}}{\mathrm{dt}}=\frac{G}{l_{\mathrm{di}}}\frac{{\mathrm{dl}}_{\mathrm{di}}}{\mathrm{dt}}-\frac{G}{\mathrm{\η}}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{di}}$

动量方程中流变力Fr的表达式为：

${\mathrm{Fr}}_{u,x,i}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_{\mathrm{ui}}^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ui}}\cos {\mathrm{\β}}_i$

${\mathrm{Fr}}_{u,y,i}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_{\mathrm{ui}}^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ui}}\sin {\mathrm{\β}}_i{\sin \mathrm{\α}}_i$

${\mathrm{Fr}}_{u,z,i}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_{\mathrm{ui}}^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ui}}\sin {\mathrm{\β}}_i{\cos \mathrm{\α}}_i$

${\mathrm{Fr}}_{d,x,i}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_{\mathrm{di}}^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{di}}{\cos \mathrm{\β}}_{i-1}$

${\mathrm{Fr}}_{d,y,i}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_{\mathrm{di}}^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{di}}{\sin \mathrm{\β}}_{i-1}{\sin \mathrm{\α}}_{i-1}$

${\mathrm{Fr}}_{d,z,i}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}_{\mathrm{di}}^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{di}}{\sin \mathrm{\β}}_{i-1}{\cos \mathrm{\α}}_{i-1}$

${\mathrm{\β}}_i=\arccos \frac{x_{i+1}-x_i}{l_{\mathrm{ui}}}$

${\mathrm{\β}}_{i-1}=\arccos \frac{x_i-x_{i-1}}{l_{\mathrm{di}}}$

${\mathrm{\α}}_i=\arcsin \frac{y_{i+1}-y_i}{l_{\mathrm{ui}}\sin {\mathrm{\β}}_i}$

${\mathrm{\α}}_{i-1}=\arcsin \frac{y_i-y_{i-1}}{l_{\mathrm{di}}\sin {\mathrm{\β}}_{i-1}}$

动量方程中气流力Fd的表达式为：

Fd_xi=Fpa_icosβ_i+Fn1_icosβ_i+Fn2_isinβ_i

Fd_yi=Fpa_isinβ_isinα_i+Fn1_isinβ_icosα_i+Fn2_i cosβ_isinα_i

Fd_zi=Fpa_isinβ_icosα_i+Fn1_i sinβ_isinα_i+Fn2_icosβ_icosα_i

${\mathrm{Fpa}}_i=\frac{\mathrm{\π}}{2}{C}_{\mathrm{fi}}{\mathrm{\ρ}}_a{u}_{a,\mathrm{ef},\mathrm{pa},i}^2{D}_{\mathrm{ui}}{l}_{\mathrm{ui}}$

${\mathrm{Fn}1}_i=\frac{1}{2}{C}_{n1i}{\mathrm{\ρ}}_a{u}_{a,\mathrm{ef},n1,i}^2{D}_{\mathrm{ui}}{l}_{\mathrm{ui}}$

${\mathrm{Fn}2}_i=\frac{1}{2}{C}_{n2i}{\mathrm{\ρ}}_a{u}_{a,\mathrm{ef},n2,i}^2{D}_{\mathrm{ui}}{l}_{\mathrm{ui}}$

u_{a，ef，pa，i}=(u_ax-u_xi)cosβ_i+(u_ay-u_yi)sinβ_isinα_i+(u_az-u_zi)sinβ_icosα_i

u_{a，ef，nl，i}=(u_ax-u_xi)cosβ_i+(u_ay-u_yi)sinβ_icosα_i+(u_az-u_zi)sinβ_isinα_i

u_{a，ef，n2，i}=(u_ax-u_xi)sinβ_i+(u_ay-u_yi)cosβ_isinα_i+(u_az-u_zi)cosβ_icosα_i

$C_{\mathrm{fi}}={0.769\mathrm{Re}}_{\mathrm{pi}}^{-0.604}$

$C_{n1i}=6.925{\mathrm{Re}}_{n1i}^{-0.433}{\left(\frac{D_{\mathrm{ui}}}{D_0}\right)}^{0.398}$

$C_{n2i}=6.925{\mathrm{Re}}_{n2i}^{-0.433}{\left(\frac{D_{\mathrm{ui}}}{D_0}\right)}^{0.398}$

${\mathrm{Re}}_{\mathrm{pi}}=\frac{{\mathrm{\ρu}}_{a,\mathrm{ef},\mathrm{pa},i}{D}_{\mathrm{ui}}}{{\mathrm{\μ}}_a}$

${\mathrm{Re}}_{n1i}=\frac{{\mathrm{\ρu}}_{a,\mathrm{ef},n1,i}{D}_{\mathrm{ui}}}{{\mathrm{\μ}}_a}$

${\mathrm{Re}}_{n2i}=\frac{{\mathrm{\ρu}}_{a,\mathrm{ef},n2,i}{D}_{\mathrm{ui}}}{{\mathrm{\μ}}_a}$

动量方程中表面张力Fs的表达式为：

${\mathrm{Fs}}_{\mathrm{xi}}=-\frac{\mathrm{\π}}{16}\frac{{\mathrm{\λk}}_i}{\sqrt{x_i^2+y_i^2}}(D_{\mathrm{ui}}^2+D_{\mathrm{di}}^2)\left|x_i\right|\mathrm{sign}\left(x_i\right)$

${\mathrm{Fs}}_{\mathrm{yi}}=-\frac{\mathrm{\π}}{16}\frac{{\mathrm{\λk}}_i}{\sqrt{x_i^2+y_i^2}}(D_{\mathrm{ui}}^2+D_{\mathrm{di}}^2)\left|y_i\right|\mathrm{sign}\left(y_i\right)$

sign(a)=1,ifa>0

sign(a)=-1,ifa<0

sign(a)=0,ifa=0

能量方程中传热系数h的表达式为：

$h_i=\frac{k_a{\mathrm{Nu}}_i}{D_{\mathrm{ui}}}$

${\mathrm{Re}}_{\mathrm{ef},i}=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_a\sqrt{{(u_{\mathrm{ax}}-u_{\mathrm{xi}})}^2+{(u_{\mathrm{ay}}-u_{\mathrm{yi}})}^2+{(u_{\mathrm{az}}-u_{\mathrm{zi}})}^2}{D}_{\mathrm{ui}}}{{\mathrm{\&mu;}}_a}$

式中各参数的物理含义为：

D_ui——珠子i和珠子i+1之间的聚合物小段的直径；

D₀——丝条初始直径；

l_ui——珠子i和珠子i+1之间的聚合物小段的长度；

l₀——丝条初始长度；

D_di——珠子i和珠子i-1之间的聚合物小段的直径；

l_di——珠子i和珠子i-1之间的聚合物小段的的长度；

m_i——珠子i的质量；

u_xi——珠子i的x方向速度；

t——时间；

Fr_u，x,i——珠子i和珠子i+1之间的聚合物小段作用在珠子i上流变力的x方向分量；

Fr_d,x，i——珠子i和珠子i-1之间的聚合物小段作用在珠子i上流变力的x方向分量；

Fd_xi——珠子i所受气流力的x方向分量；

Fs_xi——珠子i所受表面张力的x方向分量；

u_yi——珠子i的y方向速度；

Fr_u，y，i——珠子i和珠子i+1之间的聚合物小段作用在珠子i上流变力的y方向分量；

Fr_d，y，i——珠子i和珠子i-1之间的聚合物小段作用在珠子i上流变力的y方向分量；

Fd_yi——珠子i所受气流力的y方向分量；

Fs_yi——珠子i所受表面张力的y方向分量；

u_zi——珠子i的z方向速度；

Fr_u，z,i——珠子i和珠子i+1之间的聚合物小段作用在珠子i上流变力的z方向分量；

Fr_d,z，i——珠子i和珠子i-1之间的聚合物小段作用在珠子i上流变力的z方向分量；

Fd_zi——珠子i所受气流力的z方向分量；

g——重力加速度；

C_p——聚合物定压比热；

θ_i——珠子i的温度；

h_i——珠子i的传热系数；

β_i——珠子i和珠子i+1之间的聚合物小段轴线方向与x方向的夹角；

α_i——珠子i和珠子i+1之间的聚合物小段轴线方向在y-z平面上的投影与z方向的夹角；

θ_a——气体温度；

σ_ui——珠子i和珠子v之间的聚合物小段作用在珠子i上的流变应力；

G——聚合物弹性模量；

η——聚合物粘度；

σ_di——珠子i和珠子i-1之间的聚合物小段作用在珠子i上的流变应力；

x_i——珠子i在x方向上的位置；

y_i——珠子i在y方向上的位置；

Fpa_i——珠子i所受气流力平行于聚合物小段轴线方向的分量；

Fn1_i——珠子i所受气流力垂直于聚合物小段轴线方向的第一分量；

Fn2_i——珠子i所受气流力垂直于聚合物小段轴线方向的第二分量；

C_fi——平行于聚合物小段轴线方向的气流拉伸力系数；

ρ_a——气体密度；

u_{a,ef，pa，i}——平行于聚合物小段轴线方向的气流有效速度；

C_n1i——垂直于聚合物小段轴线方向的第一气流拉伸力系数；

u_a,ef,n1,i——垂直于聚合物小段轴线方向的气流有效速度第一分量；

C_n2i——垂直于聚合物小段轴线方向的第二气流拉伸力系数；

u_a,ef,n2,i——垂直于聚合物小段轴线方向的气流有效速度第二分量；

u_ax——x方向气流速度；

u_ay——y方向气流速度；

u_az——z方向气流速度；

Re_pi——基于平行于聚合物小段轴线方向的气流有效速度和丝条直径计算出的雷诺数；

Re_n1i——基于垂直于聚合物小段轴线方向的气流有效速度第一分量和丝条直径计算出的雷诺数；

Re_n2i——基于垂直于聚合物小段轴线方向的气流有效速度第二分量和丝条直径计算出的雷诺数；

ρ——聚合物密度；

μ_a——气体粘度；

λ——表面张力系数；

k_i——由珠子i-1,i和i+1的位置计算出的聚合物小段在珠子i处的曲率；

h_i——传热系数；

k_a——气体导热系数；

Nu_i——气流努塞尔数；

——垂直于聚合物小段的气流努塞尔数；

Re_ef，i——基于气流有效速度和丝条直径计算出的雷诺数；

——气流速度与聚合物小段轴线方向的夹角；

采用Runge—Kutta-Gill法对熔喷聚合物纺丝拉伸模型进行数值求解，熔喷丝条直径和侧向运动预测方法是通过对熔喷聚合物纺丝拉伸模型进行数值求解实现的。

与现有技术相比，本发明能够科学、有效地预测熔喷丝条直径和侧向运动，其效果具体表现为：

（1）可以在已知原料特性和工艺与设备参数的情况下，对熔喷非织造布的丝条直径和侧向运动情况同时进行预测，通过与实际生产的非织造布的丝条直径和均匀度进行比较，就可以对当前的生产状态进行评估。

（2）可以对熔喷原料、工艺和设备进行协调，通过计算机仿真得到较优的组合，用以指导实际生产，使最终丝条直径达到期望水平,从而大大减少探索性试验的次数，显著减少物料、人力、能源的消耗。

（3）可以根据原料特性对非织造工艺与设备进行优化设计，从而生产出纤维更细、均匀度更高的熔喷非织造布。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中熔喷聚合物纺丝拉伸模型示意图；

图2所示为本发明第一实施例中对环形喷嘴熔喷丝条直径的预测结果与实际测量结果的比较图；

图3所示为本发明第一实施例中对环形喷嘴熔喷丝条侧向运动位移的预测结果图；

图4所示为本发明第二实施例中对双槽形喷嘴熔喷丝条直径的预测结果与实际测量结果的比较图；

图5所示为本发明第二实施例中对双槽形喷嘴熔喷丝条侧向运动位移的预测结果图。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种熔喷丝条直径和侧向运动预测方法，其步骤包括：

（1）获取原料、设备和工艺参数；

（2）计算气流速度分布和气体温度分布；

（3）利用熔喷聚合物纺丝拉伸模型计算丝条直径和丝条侧向运动位移。

参图1所示，熔喷聚合物纺丝拉伸模型是将丝条离散为一系列珠子，珠子之间通过聚合物小段连接。其中，聚合物小段是指相邻珠子之间以串联方式连接的弹簧10与粘壶20。

本发明的目的在于提供一种熔喷丝条直径和侧向运动的预测方法，有了这种方法，就可以根据原料、工艺和设备参数科学地预测熔喷丝条直径和侧向运动情况；利用这种方法，可以对熔喷原料、工艺和设备进行协调，通过计算机仿真得到较优的组合，从而大大减少探索性试验的次数，显著减少物料、人力、能源的消耗；利用这种方法，还可以根据原料特性对熔喷非织造工艺与设备进行优化设计，从而生产出纤维更细、均匀度更高的熔喷非织造布。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

熔喷丝条直径和侧向运动预测方法的步骤包括：

（1）获取原料、设备和工艺有关参数。

原料参数：原料为聚丙烯，其密度和定压比热由下式确定：

$\begin{array}{cc}\mathrm{\&rho;}=\frac{1}{1.145+0.000903\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_i}& C_p=0.3669+0.00242\&CenterDot;{\mathrm{\&theta;}}_i\end{array}---\left(1\right)$

其剪切粘度由下式确定：

$\mathrm{\&eta;}=1.985\&times;{10}^{-3}\exp \left(\frac{5754}{{\mathrm{\&theta;}}_i+273}\right)$

设备参数：采用环形喷嘴，有关喷嘴参数为：环形喷嘴内径为1.270mm，外径为2.388mm，喷丝孔直径为0.95mm。

工艺参数为：聚合物流量为0.009g/s，聚合物初始温度为310℃，气流初始速度为110m/s，气体初始温度为368℃。

（2）根据有关设备参数和工艺参数，采用有限体积法计算出气流速度分布和气体温度分布。

（3）利用熔喷聚合物纺丝拉伸模型，根据有关原料性能、工艺参数及气流速度分布和气体温度分布，采用Runge—Kutta—Gill法计算出丝条直径和丝条侧向运动位移。

利用高速摄像仪和图像分析技术对熔喷聚合物纺丝拉伸过程中的丝条直径进行了测量，测量结果和本发明的预测结果见图2。

图2中，星号表示测量的丝条直径，实线表示本发明方法预测的丝条直径。由图2可以看出，丝条直径预测值与测量值吻合较好，平均预测误差不超过10%。

图3是2.76s到2.81s丝条在垂直于喷丝孔轴线方向运动（侧向运动）位移的预测结果。由图3可见，在气流作用下，丝条会在喷丝孔轴线两侧发生明显的侧向运动，每隔0.01s就会从喷丝孔轴线一侧摆到另一侧。

实施例2

熔喷丝条直径和侧向运动预测方法的步骤包括：

（1）获取原料、设备和工艺有关参数。

原料参数：原料为聚丙烯，其密度和定压比热由式（1）确定。其剪切粘度由下式确定：

$\mathrm{\&eta;}=3.15\&times;{10}^{-4}\exp \left(\frac{6021}{{\mathrm{\&theta;}}_i+273}\right)$

设备参数：采用双槽形喷嘴，有关喷嘴参数为：气流夹角为60°，头端宽度为2.02mm，槽口宽度为0.65mm，喷丝孔直径为0.4mm。

工艺参数：聚合物流量为0.012g/s，聚合物初始温度为350℃，气流初始速度为25.7m/s，气体初始温度为300℃。

（2）根据有关设备参数和工艺参数，采用有限体积法计算出气流速度分布和气体温度分布。

（3）利用熔喷聚合物纺丝拉伸模型，根据有关原料性能、工艺参数及气流速度分布和气体温度分布，采用Runge—Kutta—Gill法计算出丝条直径和丝条侧向运动位移。

利用高速摄像仪和图像分析技术对熔喷聚合物纺丝拉伸过程中的丝条直径进行了测量，测量结果和本发明的预测结果见图4。

图4中，星号表示测量的丝条直径，实线表示本发明方法预测的丝条直径。由图4可以看出，丝条直径预测值与测量值吻合较好，平均预测误差不超过10%。

图5是3.52s到3.57s丝条在垂直于喷丝孔轴线方向运动（侧向运动）位移的预测结果。由图5可见，在气流作用下，丝条会在喷丝孔轴线两侧发生明显的侧向运动，每隔0.01s就会从喷丝孔轴线一侧摆到另一侧。

综上所述，本发明能够科学、有效地预测熔喷丝条直径和侧向运动，其效果具体表现为：

（1）可以在已知原料特性和工艺与设备参数的情况下，对熔喷非织造布的丝条直径和侧向运动情况同时进行预测，通过与实际生产的非织造布的丝条直径和均匀度进行比较，就可以对当前的生产状态进行评估。

（2）可以对熔喷原料、工艺和设备进行协调，通过计算机仿真得到较优的组合，用以指导实际生产，使最终丝条直径达到期望水平,从而大大减少探索性试验的次数，显著减少物料、人力、能源的消耗。

（3）可以根据原料特性对非织造工艺与设备进行优化设计，从而生产出纤维更细、均匀度更高的熔喷非织造布。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种熔喷丝条直径和侧向运动预测方法，其特征在于，包括： 

(1)获取原料、设备和工艺参数； 

(2)采用有限体积法计算气流速度分布和气体温度分布； 

(3)利用熔喷聚合物纺丝拉伸模型计算丝条直径和丝条侧向运动位移，所述熔喷聚合物纺丝拉伸模型是将丝条离散为一系列珠子，珠子之间通过聚合物小段连接，该模型包括连续方程、动量方程、能量方程和本构方程， 

其中， 

连续方程： 

动量方程： 

能量方程： 

本构方程： 

动量方程中流变力Fr的表达式为： 

动量方程中气流力Fd的表达式为： 

Fd_xi＝Fpa_icosβ_i+Fn1_icosβ_i+Fn2_isinβ_i

Fd_yi＝Fpa_isinβ_isinα_i+Fn1_isinβ_icosα_i+Fn2_icosβ_isinα_i

Fd_zi＝Fpa_isinβ_icosα_i+Fn1_isinβ_isinα_i+Fn2_icosβ_icosα_i

u_a,ef,pa,i＝(u_ax-u_xi)cosβ_i+(u_ay-u_yi)sinβ_isinα_i+(u_az-u_zi)sinβ_icosα_i

u_a,ef,n1,i＝(u_ax-u_xi)cosβ_i+(u_ay-u_yi)sinβ_icosα_i+(u_az-u_zi)sinβ_isinα_i

u_a,ef,n2,i＝(u_ax-u_xi)sinβ_i+(u_ay-u_yi)cosβ_isinα_i+(u_az-u_zi)cosβ_icosα_i

动量方程中表面张力Fs的表达式为： 

sign(a)＝1,if a>0 

sign(a)＝-1,if a<0 

sign(a)＝0,if a＝0 

能量方程中传热系数h的表达式为： 

式中各参数的物理含义为： 

D_ui——珠子i和珠子i+1之间的聚合物小段的直径； 

D₀——丝条初始直径； 

l_ui——珠子i和珠子i+1之间的聚合物小段的长度； 

l₀——丝条初始长度； 

D_di——珠子i和珠子i-1之间的聚合物小段的直径； 

l_di——珠子i和珠子i-1之间的聚合物小段的的长度； 

m_i——珠子i的质量； 

u_xi——珠子i的x方向速度； 

t——时间； 

Fr_u,x,i——珠子i和珠子i+1之间的聚合物小段作用在珠子i上流变力的x方向分量； 

Fr_d,x,i——珠子i和珠子i-1之间的聚合物小段作用在珠子i上流变力的x方向分量； 

Fd_xi——珠子i所受气流力的x方向分量； 

Fs_xi——珠子i所受表面张力的x方向分量； 

u_yi——珠子i的y方向速度； 

Fr_u,y,i——珠子i和珠子i+1之间的聚合物小段作用在珠子i上流变力的y方向分量； 

Fr_d,y,i——珠子i和珠子i-1之间的聚合物小段作用在珠子i上流变力的y方向分量； 

Fd_yi——珠子i所受气流力的y方向分量； 

Fs_yi——珠子i所受表面张力的y方向分量； 

u_zi——珠子i的z方向速度； 

Fr_u,z,i——珠子i和珠子i+1之间的聚合物小段作用在珠子i上流变力的z方向分量； 

Fr_d,z,i——珠子i和珠子i-1之间的聚合物小段作用在珠子i上流变力的z方向分量； 

Fd_zi——珠子i所受气流力的z方向分量； 

g——重力加速度； 

C_p——聚合物定压比热； 

θ_i——珠子i的温度； 

h_i——珠子i的传热系数； 

β_i——珠子i和珠子i+1之间的聚合物小段轴线方向与x方向的夹角； 

α_i——珠子i和珠子i+1之间的聚合物小段轴线方向在y-z平面上的投影与z方向的夹角； 

θ_a——气体温度； 

σ_ui——珠子i和珠子i+1之间的聚合物小段作用在珠子i上的流变应力； 

G——聚合物弹性模量； 

η——聚合物粘度； 

σ_di——珠子i和珠子i-1之间的聚合物小段作用在珠子i上的流变应力； 

x_i——珠子i在x方向上的位置； 

y_i——珠子i在y方向上的位置； 

Fpa_i——珠子i所受气流力平行于聚合物小段轴线方向的分量； 

Fn1_i——珠子i所受气流力垂直于聚合物小段轴线方向的第一分量； 

Fn2_i——珠子i所受气流力垂直于聚合物小段轴线方向的第二分量； 

C_fi——平行于聚合物小段轴线方向的气流拉伸力系数； 

ρ_a——气体密度； 

u_a,ef,pa,i——平行于聚合物小段轴线方向的气流有效速度； 

C_n1i——垂直于聚合物小段轴线方向的第一气流拉伸力系数； 

u_a,ef,n1,i——垂直于聚合物小段轴线方向的气流有效速度第一分量； 

C_n2i——垂直于聚合物小段轴线方向的第二气流拉伸力系数； 

u_a,ef,n2,i——垂直于聚合物小段轴线方向的气流有效速度第二分量； 

u_ax——x方向气流速度； 

u_ay——y方向气流速度； 

u_az——z方向气流速度； 

Re_pi——基于平行于聚合物小段轴线方向的气流有效速度和丝条直径计算出的雷诺数； 

Re_n1i——基于垂直于聚合物小段轴线方向的气流有效速度第一分量和丝条直径计算出的雷诺数； 

Re_n2i——基于垂直于聚合物小段轴线方向的气流有效速度第二分量和丝条直径计算出的雷诺数； 

ρ——聚合物密度； 

μ_a——气体粘度； 

λ——表面张力系数； 

k_i——由珠子i-1,i和i+1的位置计算出的聚合物小段在珠子i处的曲率； 

h_i——传热系数； 

k_a——气体导热系数； 

Nu_i——气流努塞尔数； 

——垂直于聚合物小段的气流努塞尔数； 

Re_ef,i——基于气流有效速度和丝条直径计算出的雷诺数； 

——气流速度与聚合物小段轴线方向的夹角； 

采用Runge-Kutta-Gill法对熔喷聚合物纺丝拉伸模型进行数值求解，熔喷丝条直径和侧向运动预测方法是通过对熔喷聚合物纺丝拉伸模型进行数值求解实现的。