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Verweis auf verwandte Anmeldung
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Die
Erfindung beansprucht die Priorität der schwebenden
US-Patentanmeldung Nr. 60/683 641 , eingereicht
am 23. Mai 2005.
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Technisches Fachgebiet
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Die
Erfindung betrifft Rohrverzweigungen und Verfahren, um sie zu konstruieren.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Rohrverzweigungen
und ihre Konstruktion, um ein sich ergebendes für die Konstruktion erwünschtes
Massenstromprofil von Fluid durch Öffnungen bereitzustellen.
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Hintergrund
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Rohrverzweigungen
sind Rohrleitungen, die Fluide durch Auslässe abliefern, welche typischerweise
die Einlässe
zahlenmäßig übertreffen.
Rohrverzweigungen haben mehrere Öffnungen
entlang ihrer Längen
verteilt, die als Fluidausgänge
dienen. Das Fluid, das jede der Öffnungen
verläßt, ergibt
ein Massenstromprofil für
einen gegebenen Fluideingangsdruck in der Verzweigung. Das Massenstromprofil
umfaßt
einen Massendurchsatz und eine Richtung und Verteilung des Fluidstroms,
der aus den mehreren Öffnungen über die
längliche
Länge der Rohrverzweigung
austritt.
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Verschiedene
Anwendungen einer Rohrverzweigung verlangen nach verschiedenen Massenstromprofilen,
um gewünschte
Ergebnisse zu erzielen. Zum Beispiel kann eine Anwendung ein Massenstromprofil
erfordern, das im wesentlichen über
die Länge
der Rohrverzweigung einheitlich ist, d.h. Fluid aus jeder Öffnung hat
den gleichen Massendurchsatz und die gleiche Stromrichtung. Eine
weitere Anwendung könnte
eine Erhöhung,
Verringerung oder ein anders schwankendes Massenstromprofil über die Länge der
Rohrverzweigung erfordern und/oder kann erfordern, daß eine Stromrichtung
senkrecht oder nicht senkrecht zu der länglichen Länge der Rohrverzweigung ist.
Folglich ist es günstig,
Rohrverzweigungen zu konstruieren und herzustellen, die ein gewünschtes
Massenstromprofil haben oder zumindest im wesentlichen die gleichen
Ergebnisse bereitstellen, die ein gewünschtes Massenstromprofil erwartungsgemäß bereitstellt.
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Die
Konstruktion von Rohrverzweigungen mit gewünschten Massenstromprofilen
war vordem ein langwieriges Versuch- und Irrtumverfahren, wobei angenommen
wird, daß eine
Rohrverzweigung ein vorgegebenes Massenstromprofil hat und die Rohrverzweigung
hergestellt und getestet wird, um das tatsächliche Massenstromprofil herauszufinden. Nur
einfache eindimensionale Modellierung wurde verwendet, und die Vorhersagen
des eindimensionalen Modells sind nur sehr lose mit den anderen
zwei Dimensionen des Massenstromprofils gekoppelt. Das tatsächliche
Massenstromprofil der hergestellten Rohrverzweigung weicht von dem
gewünschten Massenstromprofil
um ein gewisses Maß ab.
Daher muß die
Rohrverzweigung gemäß wohlbegründeten Vermutungen
verändert
werden, neu hergestellt werden und dann erneut getestet werden,
um zu bestimmen, ob das tatsächliche
Massenstromprofil dem gewünschten
Massenstromprofil entspricht. Dieses Verfahren wiederholt sich,
bis das tatsächliche
und das gewünschte
Massenstromprofil sich hinreichend entsprechen.
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Es
ist offensichtlich, daß die
herkömmliche Rohrverzweigungskonstruktion übermäßig beschwerlich
ist und daß jede
Konstruktions- und Herstellungsiteration kostspielig ist. Folglich
kann es unerschwinglich teuer sein, ein spezifisches Massenstromprofil
für eine
Rohrverzweigungskonstruktion zu erfordern.
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Zusammenfassung
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung behandeln diese und andere Probleme unter Verwendung
eines Konstruktionsverfahrens, das die Rohrverzweigung und ihr Massenstromprofil
in drei Dimensionen modelliert, so daß die Herstellung der Rohrverzweigungskonstruktion
ein tatsächliches Massenstromprofil
ergibt, das dem gewünschten Massenstromprofil
im wesentlichen entspricht oder im wesentlichen die gleichen Ergebnisse
erzielt. Folglich wird die Notwendigkeit mehrerer Iterationen für die Konstruktion
und Herstellung der Rohrverzweigung beseitigt, wodurch viel von
der Zeit und den Ausgaben gespart wird, die andernfalls notwendig sind,
um die von dem gewünschten
Massenstromprofil bereitgestellten Ergebnisse zu erzielen.
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Eine
Ausführungsform
ist ein computerimplementiertes Verfahren zur Konstruktion einer
Rohrverzweigung zum Liefern eines Fluids. Das Verfahren umfaßt das Erzeugen
einer zweidimensionalen Darstellung einer dreidimensionalen Geometrie
mit einer Anforderung einer Rohrverzweigung, die in der Richtung
senkrecht zu der zweidimensionalen Darstellung länglich ist und zum Abgeben
des Fluids geeignet ist. Das Verfahren umfaßt ferner das Bestimmen eines
wünschenswerten
Massenstromprofils für das
Fluid aus der Rohrverzweigung als wichtigste Randbedingung basierend
auf der zweidimensionalen Darstellung, spezifiziert in Form einer
passenden Abgaberichtung und eines passenden Massendurchsatzes des
Fluids aus der Rohrverzweigung. Außerdem umfaßt das Verfahren das Bilden
eines Negativmodells der dreidimensionalen Geometrie, Partitionieren
(Erzeugen eines Netzes-Mesh) des Negativmodells in Hexaederelemente,
so daß zumindest
einige der Hexaederelemente relativ zu der Abgaberichtung ausgerichtet
sind, Bestimmen eines Satzes zusätzlicher
Randbedingungen, welche die Zuführung
von Fluid an die Rohrverzweigung beschreiben, und Beschreiben eines
ersten Satzes von geometrischen Versuchsparametern der Ausgänge für das Fluid
aus der Rohrverzweigung und Modellieren des Fluidstroms in dem Negativnetzmodell,
um eine Vorhersage des Massendurchsatzes und der Abgaberichtung
des Fluids aus der Rohrverzweigung für die dreidimensionale Geometrie
einschließlich
der Stromverteilung über
die Ausdehnung der Rohrverzweigung zu entwickeln. Wenn es die Vorhersage nicht
schafft, die Lieferung des wünschenswerten Massenstromprofils
aus der Rohrverzweigung in Bezug auf die Richtung senkrecht zu der
zweidimensionalen Darstellung innerhalb eines vorbestimmten Spielraums
zu beschreiben, dann werden die geometrischen Versuchsparameter
verfeinert, um das Verhältnis
der vereinigten Auslaßfläche der
Rohrverzweigung zu der vereinigten Einlaßfläche der Rohrverzweigung zu ändern. Iteratives
Lösen der
Gruppe von Differentialgleichungen und Verfeinern der geometrischen
Versuchsparameter, um das maximale Verhältnis der vereinigten Auslaßfläche zu der
vereinigten Einlaßfläche herauszufinden,
ermöglicht
die Vorhersage, um den gewünschten
Massenstrom des komprimierbaren Fluids aus der Rohrverzweigung innerhalb
des vorbestimmten Spielraums zu beschreiben. Ferner umfaßt das Verfahren
die erneute Erzeugung der zweidimensionalen Darstellung, um die
abschließende
Iteration der geometrischen Versuchsparameter wiederzugeben und
nachzuweisen, daß der
wünschenswerte
Massenstrom abgegeben wird.
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Eine
weitere Ausführungsform
ist ein computerimplementiertes Verfahren zum Konstruieren einer Rohrverzweigung
zum Abgeben eines Fluids mit einem gewünschten Massenstromprofil,
das einen Massendurchsatz und eine Abgabestromrichtung über ihre
Länge definiert.
Das Verfahren umfaßt
die Bestimmung einer Schlitzgeometrie für einen in der zweidimensionalen
Darstellung erscheinenden Schlitz, um einen gewünschten Massendurchsatz und
eine gewünschte
Richtung des Abgabestroms für
den Schlitz für
einen gegebenen Einlaßdruck
in die Rohrverzweigung bereitzustellen, aus einer zweidimensionalen
Darstellung einer dreidimensionalen Geometrie für die Rohrverzweigung, wobei
die Rohrverzweigung in der Richtung senkrecht zu der zweidimensionalen
Darstellung länglich
ist. Das Verfahren umfaßt
ferner die Nutzung der Schlitzgröße, des Massendurchsatzes
und der Richtung des Abgabestroms, die aus der zweidimensionalen
Darstellung bestimmt werden, das Einführen einer Schlitzgröße in der
dritten Dimension, das Einführen
eines Schlitzabstands in der dritten Dimension, das Einführen einer
Gesamtzahl von Schlitzen in der dritten Dimension, das Einführen der
Wanddicke der Rohrverzweigung an der Position des Schlitzes und
dann das Bestimmen eines Massenstromprofils über den Schlitzen der dritten
Dimension aus einer dreidimensionalen Darstellung der dreidimensionalen
Geometrie für die
Rohrverzweigung. Wenn das bestimmte Massenstromprofil im wesentlichen
nicht dem gewünschten Massenstromprofil
entspricht, dann umfaßt
das Verfahren ferner das iterative Verändern der Schlitzgröße in der
dritten Dimension und/oder des Schlitzabstands in der dritten Dimension
und/oder der Gesamtzahl der Schlitze in der dritten Dimension und wiederum
das Bestimmen eines Massenstromprofils über die Schlitze der dritten
Dimension, bis das Massenstromprofil dem gewünschten Massenstromprofil im
wesentlichen entspricht.
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Eine
weitere Ausführungsform
ist eine Rohrverzweigung zum Liefern von Fluid mit einem gewünschten
Massenstromprofil, das einen Massendurchsatz und eine Abgabestromrichtung über ihre Länge definiert.
Die Rohrverzweigung ergibt sich aus der Erzeugung einer zweidimensionalen
Darstellung einer dreidimensionalen Geometrie für die Rohrverzweigung, wobei
die Rohrverzweigung in der Richtung senkrecht zu der zweidimensionalen
Darstellung länglich
ist. Die Rohrverzweigung ergibt sich ferner aus der zweidimensionalen
Darstellung, der Bestimmung einer Schlitzgeometrie für einen
in der zweidimensionalen Darstellung erscheinenden Schlitz, um einen
gewünschten
Massendurchsatz und eine gewünschte
Richtung des Abgabestroms für
den Schlitz für
einen gegebenen Einlaßdruck
in die Rohrverzweigung bereitzustellen. Außerdem ergibt sich die Rohrverzweigung
aus der Erzeugung einer dreidimensionalen Darstellung der dreidimensionalen
Geometrie für
die Rohrverzweigung und aus einer dreidimensionalen Darstellung
der dreidimensionalen Geometrie für die Rohrverzweigung unter
Verwendung der Schlitzgröße, des
Massendurchsatzes und der Richtung des Abgabestroms, die aus der zwei dimensionalen
Darstellung bestimmt werden, dem Einführen einer Schlitzgröße in der
dritten Dimension, dem Einführen
eines Schlitzabstands in der dritten Dimension, dem Einführen einer
Gesamtzahl von Schlitzen in der dritten Dimension, dem Einführen der
Wanddicke der Rohrverzweigung an der Position des Schlitzes und
dann dem Bestimmen eines Massenstromprofils über den Schlitzen der dritten
Dimension. Wenn das bestimmte Massenstromprofil dem gewünschten
Massenstromprofil nicht im wesentlichen entspricht, dann ergibt
sich die Rohrverzweigung ferner aus dem iterativen Verändern der Schlitzgröße in der
dritten Dimension und/oder des Schlitzabstands in der dritten Dimension
und/oder der Gesamtzahl der Schlitze in der dritten Dimension und
wiederum dem Bestimmen eines Massenstromprofils über die Schlitze der dritten
Dimension, bis das Massenstromprofil dem gewünschten Massenstromprofil im
wesentlichen entspricht.
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Eine
weitere Ausführungsform
ist eine Rohrverzweigung zum Liefern von Fluid mit einem gewünschten
Massenstromprofil, das einen Massendurchsatz und eine Abgabestromrichtung über ihre Länge definiert.
Die Rohrverzweigung umfaßt
ein längliches
Rohr mit einer Länge
größer 60 cm.
Die Rohrverzweigung umfaßt
eine Reihe von Öffnungen, die
entlang der Länge
beabstandet sind, wobei die Reihe der Öffnungen auf einen gegebenen
Eingangsdruck abgestimmt ist, um das gewünschte Massenstromprofil zu
ergeben.
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Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Querschnittansicht einer herkömmlichen Schmelzblasvorrichtung,
für die
festgestellt wird, daß sie
große
Rezirkulationsbereiche hat, wenn sie über einer gewissen Ausstoßgeschwindigkeit
betrieben wird.
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2 zeigt
eine zweidimensionale geometrische Darstellung eines Querschnitts
einer Schmelzblasvorrichtung, die beim Konstruieren einer Hilfsrohrverzweigung
verwendet wird, welche ein Massenstromprofil hat, das notwendig
ist, um die Rezirkulationsbereiche zu isolieren.
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3 zeigt
die geometrische Darstellung von 2 nach dem
Partitionieren in endliche Elemente, was das Modellieren von Stromlinien
erlaubt, die für
die Konstruktion der Hilfsrohrverzweigung genutzt werden sollen.
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4 zeigt
die geometrische Darstellung von 2, nachdem
eine Hilfsrohrverzweigung hinzugefügt wurde.
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5 zeigt
die geometrische Darstellung von 4 nach dem
Partitionieren in endliche Elemente, was das Modellieren von Stromlinien
erlaubt, die sich aus der Einführung
der Hilfsrohrverzweigung ergeben.
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6 zeigt
eine dreidimensionale geometrische Darstellung der Hilfsrohrverzweigung
mit den Gegebenheiten, die durch die zweidimensionale geometrische
Darstellung von in 5 gezeigten partitionierten
Elementen definiert sind.
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7 zeigt
die Verteilung des Massenstroms und die Richtung über die
dritte Dimension der Hilfsrohrverzweigung nach einem anfänglichen Konstruktionsversuch
in der geometrischen Darstellung von 6, der zu
einer ungleichmäßigen Verteilung
und nicht senkrechten Richtung des Stroms geführt hat.
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8 zeigt
die Verteilung des Massenstroms und die Richtung über die
dritte Dimension der Hilfsrohrverzweigung nach einem nachfolgenden Konstruktionsversuch
in der geometrischen Darstellung von 6, der zu
einer im wesentlichen gleichmäßigen Verteilung
und einer im wesentlichen senkrechten Richtung des Stroms geführt hat.
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9A–9D zeigen
ein Flußdiagramm, das
eine Beispielausführungsform
eines Verfahrens zum Konstruieren einer Rohrverzweigung darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung stellen Rohrverzweigungen und Verfahren
zur Konstruktion von Rohrverzweigungen bereit, um ein gewünschtes
Massenstromprofil mit einem Massendurchsatz, einer Stromrichtung
und einer Verteilung des Stroms über
die längliche
Länge der
Rohrverzweigung bereitzustellen. Verschiedene Anwendungen erfordern besondere
Ergebnisse, für
die bestimmte Massenstromprofile erwünscht sind. Die hier beschriebenen
Ausführungsformen
stellen die computerimplementierte Konstruktion von Rohrverzweigungen
bereit, die derartige gewünschte
Massenstromprofile haben oder zumindest im wesentlichen die gleichen
Ergebnisse bereitstellen, wie angenommen wird, daß von den
gewünschten
Massenstromprofilen bereitgestellt wird.
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Während es
eine unendliche Vielfalt an Anwendungen und entsprechenden gewünschten
Massenstromprofilen zu betrachten gibt, werden hier veranschaulichende
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einem beispielhaften
praktischen Beispiel beschrieben, das sich in Verbindung mit dem
Problem ergibt, das auf dem Gebiet der Herstellung schmelzgeblasener
(meltblown) Gewebe entsteht.
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Bezug
nehmend auf 1 wird das Problem, das sich
auf dem Gebiet der Herstellung von schmelzgeblasenem Gewebe ergibt,
nun kurz diskutiert. Eine Schmelzblasvorrichtung 20 mit
einem Schmelzblasmundstück 22 ist
in einem repräsentativen
Querschnitt dargestellt. Das dargestellte Schmelzblasmundstück 22 wird
verwendet, um einen Strom 24 verlängerter Polymerfäden in Richtung
eines Sammelbands 26, das sich in die Richtung „D" bewegt, auszustoßen. Gemäß herkömmlicher
Praxis ist das Schmelzblasmundstück 22 mit
Hohlräumen 28 und 30 versehen,
um zwei Ströme
mit erhitztem Gas direkt, nachdem der Strom 24 aus einer
Reihe von Extrusionsöffnungen
extrudiert wurde, gegen den Strom 24 zu leiten. Die erhitzten
Gasstrahlen sollen aus den Hohlräumen 28 und 30 austreten,
um die aus den Extrusionsöffnungen 32 austretenden
Fäden auszudehnen
und zu verdünnen,
so daß sie
die passende Größe und Verteilung
haben, um das gewünschte
Gewebe 34 auf dem Sammelband 26 zu bilden. Obwohl
in Verbindung mit diesem Beispiel ein Band dargestellt ist, wissen
diejenigen, die mit der Schmelzblastechnik vertraut sind, Bescheid,
daß eine
sich drehende Trommel zu dem Zweck verwendet werden kann, die Fäden als
Gewebe abzunehmen.
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Die
Schmelzblasvorrichtung 20 umfaßt ferner ein Paar von Düsen 40 und 42,
eine stromaufwärts
und eine strömab wärts im Vergleich
zu der Richtung „D" des Stroms 24.
Der sekundäre
Strom wird von den Düsen 40 und 42 gegen
den Fadenstrom 24 ausgestoßen, so daß die Fäden, wenn sie auf das Sammelband 26 treffen,
die in dem Gewebe 34 erwünschten Eigenschaften haben.
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Die
vorangehende Beschreibung folgt im allgemeinen der Offenbarung des
US-Patents 6 861 025 von
Brewster et al. und ist für
die Herstellung von schmelzgeblasenen Geweben bei niedrigen und
mäßigen Geschwindigkeiten
des Sammelbands
26 geeignet. Wenn das Verfahren jedoch
heftiger und schneller betrieben wird, z.B. nachdem die Herstellung
von Gewebe etwa 35 g/Stunde/Loch übersteigt, ergeben sich Schwierigkeiten
in der Form ungleichmäßiger Bewegung,
die einigen der entstehenden Fäden
verliehen wird. Bei höheren
Extrusionsraten wird die geordnete Anhäufung von Fäden auf dem Sammelband
26 gestört, und
einige Fäden
beginnen, sich auf der Oberfläche
des Mundstücks
22 oder
der Düsen
40 und
42 zu
sammeln. Diese Beobachtung legt nahe, daß ungefähr an den mit A und B markierten
Positionen Rezirkulationsbereiche gebildet wurden, die die Form
stehender Wirbel annehmen.
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Insofern
ist es wünschenswert,
in der Lage zu sein, die Liniengeschwindigkeit zu erhöhen, während die
wünschenswerten
Eigenschaften des Gewebes 34 erhalten belieben, und insofern
ist die Störung
der postulierten Rezirkulationsbereiche A und B empfänglich für die Lösung durch
eine gasabgebende Rohrverzweigung, die in der Richtung senkrecht zu
der zweidimensionalen Darstellung von 1 länglich ist.
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Eine
anfängliche
geometrische Darstellung wurde gemäß 2 aufgebaut.
Trotz der erkannten Komplikation, daß das Sammelband (26 in 1)
in Bewegung ist und durch den Nichtschlupfzustand etwas Fluidbewegung
erzeugt, wurde eine vereinfachende Annahme getroffen, daß das Problem
symmetrisch sei. Die vorhandene Geometrie des Hohlraums (28 in 1),
der Düse
(42 in 1) und des Sammelbands (26 in 1)
ist jeweils praktisch als geometrische Darstellungen 28v, 42v, 26v dargestellt.
Als Randbedingungen werden die bekannten Gasdrücke festgelegt, die die besten,
wenn gleich unangemessenen Betriebsbedingungen bereitstellen, wenn
das Sammelband 26 bei einer hohen Liniengeschwindigkeit
betrieben wird. In der geometrischen Darstellung wird angenommen,
daß diese
Drücke einheitlich
entlang der Linien 50, 52 und 54 vorhanden
sind.
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Diese
zweidimensionale Geometrie und diese Randbedingungen werden an eine
kommerziell erhältliche
Strömungsanalyseeinheit
bereitgestellt, um das Vorhandensein der Rezirkulationsbereiche als
Vorbereitung für
das Hinzufügen
einer Hilfsrohrverzweigung zu bestimmen und zu bestimmen, wie das
gewünschte
Massenprofil sein sollte, um die Rezirkulationsbereiche angemessen
zu isolieren. Wenngleich eine Anzahl kommerzieller Angebote als geeignet
betrachtet werden, kann der FLUENT-Löser (Solver), kommerziell erhältlich von
der Fluent, Inc., Lebanon, New Hampshire, verwendet werden. Das k-Epsilon-Zweigleichungsmodell
wird für
dieses Problem ausgewählt,
und die Verwendung von renormierten Gruppen wird aktiviert. Die
Funktion, die die viskose Erwärmung
des Gases berücksichtigt,
wird ebenfalls aktiviert. Wenn die beschriebene Geometrie und die
Randbedingungen einmal etabliert sind und der in 2 definierte
Raum in endliche Elemente partitioniert wurde, wird der Solver in
einer Weise betrieben, um die Stromlinien sichtbar zu machen, welche
den Gasstrom darstellen, nachdem sich selbst ein Gleichgewichtszustand
eingestellt hat. Diese Stromlinien sind in 3 dargestellt.
In dieser Figur wird die Hypothese, daß Rezirkulationsbereiche bei
A und B ausgebildet sind, durch das Erscheinen der geschlossenen
Stromlinien um diese Stellen bestärkt.
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In
diesem Beispiel wird angenommen, daß die Rezirkulationsbereiche
durch einen zusätzlichen Gasstrom,
der aus einer Öffnung 60 in
einer neuen Rohrverzweigung 62, wie in 4 gezeigt,
austritt, gestört
werden können.
Wie für
den Rest der Geometrie wird die gasabgebende Rohrverzweigung 62 als in
der Richtung senkrecht zu der zweidimensionalen Darstellung von 1 länglich postuliert,
und daß jeder
gegebene Querschnitt für
den Strom an jedem anderen entlang dieser Senkrechten genommenen Querschnitt
repräsentativ
ist.
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Der
Einfachheit halber wird die Randbedingungslinie 64 innerhalb
der Rohrverzweigung festgelegt, in diesem Stadium wird angenommen,
daß gleichmäßig entlang
der Linie 64 an jedem möglichen Querschnitt
ein gleichmäßiger Druck
aufrechterhalten werden kann. Später
in dem Konstruktionsverfahren kann diese vereinfachende Annahme überprüft werden
und nach Bedarf überprüft werden.
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Als
ein Anfangspunkt für
dieses bestimmte Beispiel wird angenommen, daß der aus der Rohrverzweigung 62 austretende
Massenstrom zum Stören
der Rezirkulationsbereiche 50% des Massenstroms sein sollte, von
dem bekannt ist, daß die
Düse 42 ihn
benötigt,
um die erforderliche Behandlung der Fäden mit der gewünschten
Produktionsrate (wobei über
35 g/Stunde/Loch angestrebt werden) zu erzielen. Als ein weiterer
Anfangspunkt wird der Druck entlang der Randbedingungslinie 64 beliebig
auf einen vernünftigen
Wert, wie etwa 20 psig (Pfund pro Quadratinch) insgesamt, festgelegt,
lediglich da es ein vernünftiger
Bruchteil der statischen Druckkapazität eines ohne weiteres erhältlichen
Kompressors ist. Eine Anfangsgröße für die Öffnung 60 wird
durch einfache Öffnungsgleichungen
aus dem Massenstrom abgeleitet, von dem angenommen wird, daß er von
der Rohrverzweigung 62 bei dem angenommenen Druck in der
Rohrverzweigung 62 benötigt
wird.
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Mit
diesen etablierten Annahmen wird der Solver wieder verwendet, um
die neue Geometrie und die neuen Randbedingungen zu analysieren.
Für dieses
Beispiel kann eine Anzahl von Versuchen ausgeführt werden, bei der die Position
der Öffnung 60 um
den Umfang der Rohrverzweigung 62 herum verändert wird.
Die Analyse der von den Versuchen erzeugten Stromlinien legte nahe,
daß die
besten Ergebnisse erzielt würden,
indem der Ausstrom aus der Rohrverzweigung 62 nicht auf
die Mitte des Rezirkulationsbereichs B, sondern vor ihn gezielt
wird, um eine Vorhangwand aus sich bewegendem Gas zu erzeugen, um
die austretenden Fäden
von dem Rezirkulationsbereich zu isolieren. Dieser Zustand ist in 5 dargestellt,
und an diesem Punkt kann gesagt werden, daß eine Abgaberichtung für die Rohrverzweigung 62 bestimmt
wurde, die den Massendurchsatz begleitet, welcher vorher für den gegebenen
Eingangsdruck angenommen wurde. Es wird ferner für dieses Beispiel angenommen,
daß die
Stromverteilung über
die längliche
Länge der
Rohrverzweigung in der dritten Dimension einheitlich sein sollte,
um die Rezirkulationsbereiche geeignet zu isolieren.
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Wenn
einmal die beste Richtung zum Zielen des Ausstroms aus der Rohrverzweigung 62 für dieses
Beispiel bestimmt ist, wird eine zusätzliche Gruppe von Versuchen
mit dem Solver durchgeführt,
um zu bestimmen, ob der angenommene Massenstrom aus der Rohrverzweigung 62 verringert
werden kann, während
immer noch die Isolation der Rezirkulationsbereiche aufrechterhalten
wird, um Energiekosten bei der Bereitstellung dieses Stroms zu sparen.
In diesen Experimenten für
dieses bestimmte Beispiel wurde herausgefunden, daß der Massenstrom
auf 30% des aus der Düse
austretenden Massenstroms verringert werden kann, bevor der Strom
aus der Rohrverzweigung den Strom von Fäden 24 nicht länger gegen
den Rezirkulationsbereich isolieren kann.
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Durch
diesen Punkt wurde eine brauchbare Lösung für das eine Lösung erfordernde
praktische Problem, d.h. das gewünschte
Massenstromprofil, erzielt, vorausgesetzt, es stellt sich als möglich heraus,
das identifizierte Massenstromprofil einheitlich entlang der länglichen
Länge der
Rohrverzweigung 62 in der Richtung senkrecht zu der zweidimensionalen
Darstellung bereitzustellen. Die vorher getroffene vereinfachende
Annahme, daß sich
dies als möglich herausstellen
würde,
muß immer
noch nachgewiesen werden. Um diese Herausforderung anzunehmen, wird
eine mathematische 3D-Darstellung des Gases im Inneren der Rohrverzweigung 62 und
ihrer unmittelbaren Umgebung erzeugt. In dieser Darstellung ist
die Geometrie der Rohrverzweigung 62p im wesentlichen invertiert,
wobei eine Grenze definiert wird, über die kein Gas strömen kann.
Diese geometrische Darstellung ist in 6 dargestellt.
In dieser Figur wurde eine Hälfte
der Rohrverzweigung 62 in diese virtuelle Darstellung 62p umgewandelt,
da die vereinfachende Annahme gemacht wurde, daß die Situation symmetrisch
sei. Auch in der Darstellung enthalten ist die Lösungsdomäne des ausströmenden Gases,
die aus der virtuellen Darstellung der Rohrverzweigung 62p hervorgeht.
Obwohl es bisher intuitiv nicht offensichtlich sein mag, daß das Volumen
von Gas benachbart zu der äußeren Oberfläche der
Rohrverzweigung 62p um den Umfang von den Schlitzen 80p in
die mathematische 3D-Darstellung aufgenommen werden braucht, ist
die Intuition falsch. Das Nichtaufnehmen dieses scheinbar zusätzlichen
Volumens in die mathematische 3D-Darstellung verursacht häufig falsche
Ergebnisse.
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Die
Darstellung der Rohrverzweigung 62p kann konstruiert werden,
während
erkannt wird, daß es
notwendig sein kann, die strukturelle Stärke zu erhöhen, indem die Öffnung 60p als
eine Reihe von durch Brücken 82p getrennten
Schlitzen 80p bereitgestellt wird. In der vorliegenden
Beschreibung wurde ein zylindrisches Rohr mit 51 mm Außendurchmesser,
45 mm Innendurchmesser und 188 cm Länge (eine relativ lange Rohrverzweigung
im Vergleich zu Versuch-und-Irrtum-Rohrverzweigungen des Stands der Technik,
die typischerweise weit kürzer als
60 cm sind) aus dem Grund, daß eine
derartige Größe bequem
in der Schmelzblasvorrichtung 20 positioniert werden kann,
als ein Anfangspunkt für
die Rohrverzweigung 62 ausgewählt. Als ein Anfangspunkt für die Analyse
für dieses
bestimmte Beispiel wurde angenommen, daß das Rohr mit 38 mm langen
und 3,2 mm breiten Schlitzen versehen würde, wobei einer vom nächsten entsprechend
den Öffnungen
der interessierenden Schmelzblasvorrichtung durch Brücken mit
3,2 mm getrennt ist.
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Das
Gasvolumen in und benachbart zu dem Äußeren der invertierten Darstellung
der Rohrverzweigung 62p wird dann in endliche Hexaederelemente
partitioniert, so daß zumindest
einige der Hexaederelemente relativ zu der Abgaberichtung ausgerichtet
sind, wie in dieser Figur als „F" dargestellt. Als
eine Randbedingung wird angenommen, daß die Rohrverzweigung 62p von
einem Ende 84 oder beiden Enden 84 und 86 gefüllt wird.
Insbesondere wird der Massenstrom pro Einheitslänge z.B. in kg/s/m, der die
Isolation der Rezirkulations bereiche bereitstellte, in der 2D-Darstellung
mit der Länge
der Rohrverzweigung 62p multipliziert. Dann wird der Eintritt von
einer Hälfte
dieses gesamten Massenstroms (da die Annahme gemacht wird, daß die andere
Hälft des Massenstroms
von der symmetrischen anderen Hälfte
der Rohrverzweigung abgewickelt wird) in die Darstellung durch die
Oberfläche
des Endes 84, oder des Endes 84 und des Endes 86,
als eine Randbedingung festgelegt.
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Diese
dreidimensionale Geometrie und diese Randbedingungen werden wiederum
dem FLUENT-Solver bereitgestellt, und wiederum wird das k-Epsilon-Zweigleichungsmodell
verwendet. Auch wird die Verwendung renormierter Gruppen und (da das
Fluid in dem vorliegenden Beispiel komprimierbare Luft ist) die
Funktion der Berücksichtigung
viskoser Erwärmung
des Gases aktiviert. Der Solver wird dann laufen gelassen, um den
Vektor und den Betrag der Fluidgeschwindigkeit an verschiedenen Punkten
bereitzustellen. Das Vektorfeld wurde verwendet, um eine Falschfarbendarstellung
der Geschwindigkeit des Fluids herzustellen, das durch jeden Schlitz
in der Abgaberichtung tritt, um durch Ableitung eine Anzeige der
tatsächlichen
Verteilung des Massenstroms über
die längliche
Länge der
Rohrverzweigung bereitzustellen. Dies ist als 7 dargestellt,
wo das Gas von einem Ende in einer Stromrichtung „F" in die Rohrverzweigung
eintritt. Es kann aus der Figur festgestellt werden, daß der Strom
entlang der länglichen
Länge der
Rohrverzweigung nicht einheitlich ist, so daß die geometrischen Versuchsparameter
nicht in der Lage waren, das gewünschte
Massenstromprofil zu ergeben.
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Wenn
eine Analyse dieser geometrischen Versuchsparameter der Schlitzlänge, der
Schlitzbreite, des Schlitzabstands, des Rohrverzweigungsdurchmessers,
etc. gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung nicht in der Lage ist, die Lieferung
des benötigten
Massenstroms aus der Rohrverzweigung in einer Weise zu beschreiben,
die hinreichend gleich der gewünschten
ist, ist es notwendig, diese geometrischen Parameter zu verfeinern und
die Analyse erneut laufen zu lassen. Es wurde herausgefunden, daß die Verringerung des
Verhältnisses
der vereinigten Auslaßfläche zu der
vereinigten Einlaßfläche dazu
neigt, den Strom gleichmäßiger verteilt
zu machen, sollte ein gleichmäßiger Strom über die
längliche
Länge der
Rohrverzweigung für
eine bestimmte Anwendung erwünscht
sein. Wenn in dem vorliegenden Beispiel die Sichtbarmachung von 7 zeigt,
daß der
Strom aus den 6,4 mm breiten Schlitzen unzureichend gleichmäßig war, werden
die geometrischen Parameter des 3D-Modells auf 1,59 mm Breite eingestellt,
und das Modell wird erneut in den Solver eingegeben. Der Solver wird
wieder laufen gelassen, um eine Darstellung der Geschwindigkeit
des durch jeden dieser schmaleren Schlitze laufenden Fluids in der
Abgaberichtung bereitzustellen. Dies ist als 8 dargestellt,
und es kann in der Figur festgestellt werden, daß die Geschwindigkeit und durch
Ableitung das Massenprofil eine weit gleichmäßigere Verteilung entlang der
länglichen
Länge der
Rohrverzweigung haben als es im Fall von 7 war. Für dieses
bestimmte Beispiel wird die Einheitlichkeit des Stromprofils als
hinreichend gut betrachtet, um eine gleichmäßige Gasstrom-Vorhangwand zu
erzeugen, um die Fäden
gegen die Rezirkulationsbereiche über eine gesamte Herstellungsbahn
zu isolieren.
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Um
diese Schätzung
für diese
bestimmte Schmelzblassituation zu testen, wurde eine echte Rohrverzweigung
aus Metall entsprechend den Parametern, die 8 erzeugten,
hergestellt, und diese Rohrverzweigung wurde entsprechend der Richtung und
den Positionen, die in der 2D-Analyse, wie in 4 dargestellt,
identifiziert wurden, in einer Schmelzblaslinie installiert. Die
Rohrverzweigung wurde an beiden Enden unter einen Druck von insgesamt
20 psig gesetzt, und Gewebe wurde hergestellt. Es wurde beobachtet,
daß die
unerwünschte
Anhäufung
von Fäden
auf der Oberfläche
des Mundstücks und
der Düsen
gehemmt wird, und die Eigenschaften des Gewebes nicht nachteilig
beeinflußt
wurden.
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Es
ist angemessen, einen Vorbehalt bezüglich des Schritts der Verringerung
des Verhältnisses der
vereinigten Auslaßfläche zu der
vereinigten Einlaßfläche der
Rohrver zweigung zu machen, wenn es notwendig ist, den notwendigen
Einheitlichkeitsgrad des Auslasses entlang der Länge der Rohrverzweigung zu
erzielen. Unachtsames Verringern des Verhältnisses weiter als notwendig
neigt dazu, andere Probleme, insbesondere in Bezug auf die Größe des Drucks,
der notwendig ist, um den Massenstrom anzutreiben, entstehen zu
lassen. Höhere
Drücke
sind in Bezug auf die Bereitstellung eines passenden Kompressors
oder Gebläses,
um die Rohrverzweigung 62 zu beliefern, kostspieliger zu
erreichen, und höhere
Drücke
können
erfordern, daß die
Rohrverzweigung 62 aus teureren Materialien aufgebaut wird,
um den Spannungen des Unterdrucksetzens standzuhalten.
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In
der Tat kann es sich unter manchen Gegebenheiten als schwierig erweisen,
den Zielmassenstrom und die Zielverteilung des Stroms entlang der Länge der
Rohrverzweigung innerhalb der Grenzen der Ausrüstung, die man zu verwenden
gehofft hat, durch Iterieren der geometrischen Parameter in dem dreidimensionalen
Modell zu erreichen. Wenn dies passiert ist, kann ein optionaler
Schritt durchgeführt werden.
Der maximale Massendurchsatz, den die wünschenswerte Ausrüstung mit
dem benötigten Einheitlichkeitsmaß entlang
der Länge
der Rohrverzweigung bereitstellen kann, wird vermerkt, und die zweidimensionale
Darstellung mit diesem Massendurchsatzpegel erneut konstruiert.
Dann können
die Parameter der exakten Position und Abgaberichtung der Rohrverzweigung
iteriert und erneut analysiert werden, wobei eine Kombination gesucht
wird, in der die Massenstromausgabe maximal ist, während die Zielstromverteilung
ausreicht, um das Ziel zu erreichen, das vorher für das gewünschte Massenstromprofil
gesetzt wurde, z.B. in dem vorliegenden Beispiel die Isolierung
des Rezirkulationsbereichs. Es versteht sich, daß es manchmal unmöglich sein
wird, für
manche Kombinationen der Rohrverzweigungsgeometrie und der Gaszuführungsausrüstung irgendwelche
Massenstromprofile zu erreichen, die Kombinationen eines Massenstroms
und einer Verteilung des Stroms bedingen. Es versteht sich ferner,
daß manche
Aufbauten, welche das Verfahren als geeignet für die gewünschte Abgabe zu läßt, ungeeignet sind,
um die ausreichende strukturelle Festigkeit zu haben, um den Innendruck
aufzunehmen oder den Abstand zwischen Trägern zu überspannen, wenn sie gelagert
werden. Es wird überlegt,
daß Anforderungen
für Saugrohrverzweigungen,
die Fluid auspumpen anstatt es abzugeben, für die Behandlung mit dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung geeignet sind.
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Während die
Erfindung insbesondere unter Bezug auf verschiedene ihrer Ausführungsformen gezeigt
und beschrieben wurde, versteht sich für Fachleute der Technik, daß verschiedene
andere Änderungen
an der Form und den Details daran vorgenommen werden können, ohne
von dem Geist und dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
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Zusammenfassung
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Rohrverzweigungen zum Liefern
von Fluiden mit einem gewünschten
Massenstromprofil und Verfahren zu deren Konstruktion
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Rohrverzweigungen
werden konstruiert, um Fluid durch mehrere Öffnungen der Rohrverzweigung
zu liefern, so daß das
von den mehreren Öffnungen
ausgegebene Fluid für
einen gegebenen Einlaßfluiddruck
ein gewünschtes
Massenstromprofil hat. Das gewünschte
Massenstromprofil umfaßt
einen gewünschten
Massendurchsatz und eine gewünschte
Richtung und Verteilung des Stroms im dreidimensionalen Raum. Die
Rohrverzweigung wird zuerst als eine zweidimensionale Darstellung
modelliert, um Rohrverzweigungsparameter zu bestimmen, die notwendig
sind, um das gewünschte
Massenstromprofil in den zwei Dimensionen zu erzielen. Dann wird
die Rohrverzweigung basierend auf den vorher für die zweidimensionale Darstellung
bestimmten Parametern als eine dreidimensionale Darstellung modelliert,
um Rohrverzweigungsparameter der dritten Dimension zu bestimmen,
die notwendig sind, um das gewünschte
Massenstromprofil in den drei Dimensionen zu erzielen.