CN113836834B - 一种基于大尺度涡流抑制的熔喷牵伸通道结构优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于大尺度涡流抑制的熔喷牵伸通道结构优化方法，首先根据实验仿真结果，确定原型牵伸通道内的大尺度涡流区及其涡流尺寸；然后紧密贴合涡流，对牵伸通道的相关区域进行界面光顺，使大尺度涡流得到抑制；最后通过实验仿真，对优化后的通道流场进行大尺度涡流、横流和湍流强度验证，确定优化改型结构。本发明针对熔喷牵伸器出丝不稳定的问题，通过抑制通道内的大尺度涡流，保证出丝稳定性。基于该方法对熔喷牵伸通道进行结构优化设计，可以有效地改善成型布面的厚度和均匀性，提高熔喷布产品的质量，同时大幅降低次品率，提高经济效益。

Description

一种基于大尺度涡流抑制的熔喷牵伸通道结构优化方法
技术领域
本发明涉及熔喷布生产工艺技术领域，尤其是一种基于大尺度涡流抑制的熔喷牵伸通道结构优化方法。
背景技术
熔喷布是生产医用口罩、防护服的重要原料，其布面厚度(克重)和均匀性决定了过滤效率和透气性的优劣，是决定其下游产品质量的关键因素。在疫情常态化防控的大背景下，对熔喷布生产工艺要求的持续改进成为趋势，目的在于提高布面成网质量，同时降低次品率，提高经济效益。
牵伸下丝是熔喷布成网前的末道工序，用于将自喷丝板流出的粗丝作细化处理，并通过侧吹风的温差效应，使丝线强度得到固化。
牵伸气流在拉伸丝线的过程中，产生的横流会使丝线发生偏转，触碰甚至粘附于牵伸通道固壁，同时，通道内较高的湍流强度也会破坏下丝的稳定性，对成网的布面厚度和均匀性造成负面影响，降低成品率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供一种基于大尺度涡流抑制的熔喷牵伸通道结构优化方法
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于大尺度涡流抑制的熔喷牵伸通道结构优化方法，基于对熔喷牵伸通道流场的分析和改进，实施牵伸通道机械结构部分流固界面的优化设计，具有以下步骤：
(1)、确定需要优化设计的原型对象：首先从熔喷牵伸器中提取出牵伸通道的流固界面，形成关于流场的分析对象。
(2)、根据提取的牵伸通道流固界面，实施实验仿真，对通道流场中的大尺度涡结构进行识别提取，以获得通道内的横流和湍流强度；所述实验仿真包括小型风洞实验方案或计算流体力学数值模拟仿真方案，其中：
对于小型风洞实验方案，关键在于大尺度涡流有效侦测的实现，在条件允许的情况下，可采用有机玻璃类的透明材料制作通道固壁界面，以实现流场的可视化，并采用粒子图像测速装置(PIV)获得通道内的速度场暨涡流分布；由于熔喷牵伸通道的展向尺寸远大于其本身的宽度，流动可视为二维，因此可仅对一个展向截面进行流场提取；由于涡流对应低压区，可在流道内布置多个静压测点，通过对压力阶跃点的多次采集，确定涡流区的外缘，从而实现大尺度涡流的有效侦测。
对于计算流体力学数值模拟，关键在于适用湍流模型的确定，可在有限实验数量和少数静压(或速度)测点的条件下，基于实验和仿真的对比确定适用的湍流模型。如上所述，熔喷牵伸通道的计算域可简化成二维，然后在与实际工艺相符的边界条件下进行仿真计算，获得通道内的速度场，继而可方便地进行大尺度涡流的识别提取。
(3)、对于风洞实验，通过速度场测量获得熔喷牵伸通道内的横流分布和强度，以及湍流强度的分布和强度；对于仿真计算，可方便地通过速度场的后处理获得熔喷牵伸通道内的横流分布和强度，以及湍流的分布和强度。以备后续对比。
(4)、根据前步所确定的大尺度涡结构区域分布和外缘尺寸，对通道相关区域界面进行光顺处理，具体做法是：使通道流固界面变化到刚好贴合原大尺度涡流区位于流道内一侧的外缘线，实现对原大尺度涡流区的完全覆盖。
(5)、针对第四步更新后的熔喷牵伸通道流域，利用第二步方法，进行再次实验或仿真，获得更新后的通道内流场；继而利用第三步方法，获得更新后的横流和湍流强度的分布和强度，其中的关键是：对更新后的流场。
(6)、对于第五步获得的熔喷牵伸通道流场，采用第三步所述方法再次获得横流和湍流的分布和强度，并用第二步所述方法再次进行大尺度涡流识别提取。
(7)、若第六步中仍在流场中识别出大尺度涡流，则根据第四步的方法，对牵伸通道的流固界面进行二次光顺。已证实，大尺度涡流是造成强横流和强湍流的主要因素，因此，大尺度涡流的有效抑制即可表征横流和湍流的有效抑制。
(8)、根据步骤1～7确定的改型流固界面，加工出新型熔喷牵伸通道，安装于熔喷牵伸器内。
本发明的有益效果是：本发明针对熔喷牵伸器出丝不稳定的问题，通过抑制通道内的大尺度涡流，保证出丝稳定性，该方法打破了熔喷布生产过程中对牵伸器的补漏式改进方式，找准了下丝过程不稳定的关键所在，依据确定的方法和过程，使设备改进后的布面厚度及均匀性得到大幅改善，产品质量大幅提升；基于该方法对熔喷牵伸通道进行结构优化设计，可以有效地改善成型布面的厚度和均匀性，提高熔喷布产品的质量，同时大幅降低次品率，提高经济效益。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明实施例中熔喷牵伸器的三维结构图。
图2是本发明实施例中熔喷牵伸器牵伸流道的示意图。
图3是现有熔喷牵伸器牵伸流道中的流线分布图。
图4是改进后熔喷牵伸器牵伸流道中的流线分布图。
图5是现有熔喷牵伸器和改进后熔喷牵伸器的横流速度对比图。
图6是现有熔喷牵伸器和改进后熔喷牵伸器的湍流强度对比图。
图中：1.上端进丝口、2.侧吹风进口、3.一次流道、4.二次流道、5.流动交汇口、6.混合通道、7.出丝口。
具体实施方式
以下结合附图及具体的实施例对本发明技术方案作进一步详细的说明。
如图1所示的是作为一个具体实施例的熔喷牵伸器整体装置图，装置由位于中心的牵伸流道和周围附属机械机构构成。
图2所示为上述熔喷牵伸器的端部视图，其中涵盖了熔喷牵伸通道的一般核心结构，包括：
牵伸通道的气动原理是：从喷丝板流出的粗丝从上端进丝口1流入牵伸通道，在一次流道3中下行；出丝口7后有引风机，用于在牵伸通道中形成负压抽吸，侧吹风进口2不予强制送风，保持自然进气，侧吹风进口2进入的空气流经二次流道4，在流动交汇口5与主流混合。二次流和主流之间形成剪切，使丝线沿混合通道6下行过程中持续细化，形成细丝并通过出丝口7流出牵伸通道。由于粗丝温度高于侧吹风进口2进入的空气进气温度，使得丝线在牵伸过程中逐渐固化强度提升。
由于丝线直径极小，丝线本身对通道气流的反作用可忽略。
一般的牵伸通道中，主流与二次流之间的掺混极易导致混合通道6中产生显著的水平横向流动，使丝线大幅度偏转触壁，阻碍下丝，导致下丝后的成网厚度不达标，而且混合通道6中剪切流界面波动极易导致较高的湍流强度，使下丝过程不稳定，导致出丝后的网面均匀性大幅下降。
为解决上述问题，将现有牵伸通道流域从牵伸器中提取出，进行实验仿真，所得通道流场如图3所示，同时获得混合通道6中的横流和湍流强度，在流场中识别出五处大尺度涡流，从上至下依次是：
第一处：位于二次流道4水平部分下游端部的角涡；
第二处：位于二次流道4水平部分拐角后的较大分离涡；
第三处：位于二次流道4内，由后台阶流动形成的较小分离涡；
第四处：位于流动交汇口5处凸台面形成的较小分离涡；
第五处：位于混合通道6内，喉口下游壁面，在逆压梯度影响下形成的较小分离涡。
综合考虑上述涡流的区域分布和尺度大小，并考虑二次流道4和流动交汇口5处的涡流是导致混合通道6内剧烈横流和湍流的主要因素，因此，基于上述涡流对牵伸流道进行光顺，沿涡流靠流道一侧的外缘将流道内缩，形成更新后牵伸流道。
对更新后的牵伸流道再次进行实验仿真，获得如图4所示的通道流场，同时获得混合通道6中的横流和湍流强度，可见二次流道4内的上述涡流全部消失，同时，尽管未对混合通道6作光顺处理，其内原本存在的分离涡亦得到完全抑制。
对牵伸通道原结构和更新结构流场中的横流进行对比，如图5所示，图中横坐标为自流动交汇口5至出丝口7间的铅锤位置，纵坐标为水平方向速度分量，图中可见，更新结构中的横流基本被缩小至零，抑制效果显著。
对牵伸通道原结构和更新结构流场中的湍流进行对比，如图6所示，图中横坐标为自流动交汇口5至出丝口7间的铅锤位置，纵坐标为水平方向速度分量，图中可见，更新结构中的湍流强度被大幅减小，抑制效果显著。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种基于大尺度涡流抑制的熔喷牵伸通道结构优化方法，通过对牵伸通道流场的分析和改进，实施牵伸通道机械结构部分流固界面的优化设计，其特征是：具有以下步骤：
S1、提取原型熔喷牵伸机构中的牵伸通道流域界面，实施实验仿真，对通道流场中的大尺度涡结构进行识别提取，同时，获得通道内的横流和湍流强度；
S2、确定通道流场中大尺度涡结构的所在区域和外缘尺寸；
S3、紧密贴合通道流场中的大尺度涡外缘，对牵伸通道相关区域的固体界面进行光顺处理，以抑制上述大尺度涡流；
S4、对界面光顺后的熔喷牵伸通道流域进行二次实验仿真，获得通道内的流场；
S5、对界面光顺后的熔喷牵伸通道流场进行大尺度涡结构的识别提取；
S6、对比原型和界面光顺后的熔喷牵伸通道内对比大尺度涡流、横流和湍流强度的前后变化，确认大尺度涡结构得到完全抑制，同时横流和湍流强度得到大幅降低，确认结构优化成功；
S7、根据优化结果，确定熔喷牵伸通道的改型结构。
2.如权利要求1所述的基于大尺度涡流抑制的熔喷牵伸通道结构优化方法，其特征是：所述的步骤S1中，所述的实验仿真包括小型风洞实验方案或计算流体力学数值模拟仿真方案。
3.如权利要求2所述的基于大尺度涡流抑制的熔喷牵伸通道结构优化方法，其特征是：所述的小型风洞实验方案，通过采用有机玻璃类的透明材料制作通道固壁界面，以实现流场的可视化，并采用粒子图像测速装置PIV获得通道内的速度场暨涡流分布，在流道内布置多个静压测点，通过对压力阶跃点的多次采集，确定涡流区的外缘，从而实现大尺度涡流的有效侦测。
4.如权利要求2所述的基于大尺度涡流抑制的熔喷牵伸通道结构优化方法，其特征是：所述的计算流体力学数值模拟仿真方案，是在有限实验数量和少数静压或速度测点的条件下，基于实验和仿真的对比确定适用的湍流模型。
5.如权利要求1所述的基于大尺度涡流抑制的熔喷牵伸通道结构优化方法，其特征是：所述的步骤S3中，光顺处理时，需使得通道流固界面变化到刚好贴合原大尺度涡流区位于流道内一侧的外缘线，以实现对原大尺度涡流区的完全覆盖。
6.如权利要求1所述的基于大尺度涡流抑制的熔喷牵伸通道结构优化方法，其特征是：所述的步骤S5中，识别提取后若仍存在上述大尺度涡结构，则依据步骤S3对相关区域界面进行二次光顺，获得界面光顺后通道内的横流和湍流强度。
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