熔喷气流场及纤维运动的计算与实验研究

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本文对熔喷纺丝过程进行了研究,通过实验的方法发现了纤维在熔喷过程中的运动规律;通过数值模拟熔喷气流场,分析了狭槽喷嘴和螺旋喷嘴熔喷气流场的特征并做了对比,同时初步模拟了气流场中速度和温度的耦合关系;为了获得熔喷过程中的纤维直径,提出了一个基于纤维轨迹的纤维直径计算的数学方法,并完成实验验证;论文最后通过对纤维鞭动的模拟探讨了鞭动对于熔喷纤维拉伸的意义。  本论文共分为七章。  第一章主要从熔喷喷嘴(模头)、气流场、和纤维运动三个方面总结了熔喷技术的研究现状,并指出了研究的不足。从这些研究现状说明本文的研究意义和研究内容。  第二章采用高速摄像技术拍摄了纤维在狭槽喷嘴和螺旋喷嘴中的纤维运动,揭示熔喷纤维运动特别是鞭动的规律。在狭槽喷嘴中,纤维在喷嘴附近的运动接近二维运动。在螺旋喷嘴中,纤维从喷嘴挤出后即以螺旋形下落的方式运动,这种螺旋形鞭动形式与被广泛研究的静电纺丝鞭动很相似。基于拍摄得到的纤维轨迹,测量了纤维在两种喷嘴下的运动速度、鞭动振幅和鞭动频率。  第三章对狭槽喷嘴和螺旋喷嘴熔喷气流场进行了三维模拟。在狭槽喷嘴流场中,气流速度在纺丝线方向的分量是最重要的,横向速度分量可以忽略;而在螺旋喷嘴气流场中,除了沿纺丝线的气流速度分量外,切向速度也不可忽略。在纺丝线上,狭槽喷嘴的气流速度和温度大于螺旋喷嘴。除此之外,以二维模拟的方法探讨了气流场中入口温度对速度场、入口速度对温度场的影响,初步探讨熔喷气流场速度和温度的耦合。  第四章用热线风速仪测量了熔喷气流场的速度和温度,并根据获得的速度和温度脉动对气流场的湍流特性进行研究。结果显示在狭槽喷嘴中速度和温度的衰减小于螺旋喷嘴。对脉动的分析得出,速度信号是无序的而温度信号具有较规则的波动规律。  第五章建立了基于纤维轨迹的纤维直径的计算方法,通过建立数学模型获得纤维轨迹的长度,从而计算纤维直径,并进行了实验验证。  第六章首先从分析纤维片段所受的气流力入手,得出纤维受到的压差阻力比受到的摩擦阻力大很多,文中设定了直线拉伸和鞭动拉伸两种情况分别对应纤维只受到摩擦阻力和还能受到压差阻力。通过建立纤维的拉伸模型发现纤维在以鞭动方式运动时得到的纤维直径比以直线运动得到的纤维直径小。验证了压差阻力或者鞭动作用对纤维拉伸的重要作用。本章中发现鞭动运动时,扰动频率和扰动幅度对最终的纤维直径影响较小。本章最后对比了纤维以直线拉伸和鞭动拉伸对纤维直径的影响,来说明鞭动对纤维拉伸的影响。  第七章是本论文的总结和展望。列举了文中的结论以及不足和需要进一步研究的方向。
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