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《东华大学》 2012年
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水刺高压水腔流场分布及其对非织造材料性能和工程能耗影响的研究

王向钦  
【摘要】:产业用纺织品行业已成为纺织工业中最具前瞻性和战略机遇的新兴产业,而水刺非织造技术则是产业用纺织品行业中发展最迅速的非织造加固工艺,2001-2010年间我国水刺非织造布生产能力年均增幅超过30%。水刺加固工艺利用高能量水针的冲击力赋予水刺非织造材料良好的强度、手感及透气性且无任何化学粘合剂,因此水刺非织造材料以其独特的性能广泛应用医疗、卫生、个人护理、服装、家居等民生领域。 然而,高能量水针的产生及工艺水净化、循环等工序的高能耗也是水刺非织造材料成本居高不下的重要原因,并在一定程度上制约了水刺技术的进一步发展壮大,日产10-15t水刺非织造材料生产线每小时循环水量为150-250t。因此,研究水腔结构对水刺系统工程能耗的影响对于水刺技术节能减排具有重要意义。 高压水腔是水刺非织造技术中分配和利用高压工艺水能量的关键部件,其对工艺水流的分配对水刺非织造材料的性能及工程能耗有重要影响。但由于水腔内部为高压封闭流场,难以通过试验方法对水腔内的流场分布进行观察和分析,因此本文采用数值模拟的方法对水刺非织造技术中的多孔式和狭缝式两种高压水腔内部的流场分布进行研究,进而通过分析其对水刺非织造材料性能及水刺系统工程能耗的影响,验证数值模拟结果的可信性,为水腔结构的优化设计提供理论依据。 本文的研究工作主要分三部分:第一,流体力学理论分析和数值模拟,采用数值模拟方法对多孔式和狭缝式高压水腔内三维流场进行分析和表征;并进一步研究水腔主要结构参数对水腔流场的影响及进化策略在水腔优化设计应用中的有效性。第二,研究水腔结构对水刺非织造材料物理机械性能的影响,验证数值模拟结果的可信性。第三,研究实际工程应用中多孔式和狭缝式水腔对水刺系统工程能耗的影响,进一步验证数值模拟结果的可信性,并为水刺系统的节能减排提供理论依据。 各部分主要内容及结论如下: (1)建立多孔式和狭缝式高压水腔内流场的计算流体动力学模型,并通过有限体积法对模型的控制方程进行离散,采用稳态、隐式求解器、RealizableK-ε模型和基于交错网格的SIMPLE算法通过专业流体计算软件Fluent模拟了工艺压力为8.0-12.0MPa时两种水腔内流体的分布特征,分析了两种水腔内部的流场分布及其出流面中心线处流体速度和压力沿长度方向的变异系数(CV值)随工艺压力的变化,并通过单因子分析法进一步分析了各结构参数需要优化调整的方向。结果表明狭缝式水腔出流面上流体的速度变异系数约是多孔式水腔的两倍,且随着工艺压力的增大,二者的差距进一步增大,而多孔式水腔的变异系数几乎为常数;二者的压力变异系数在工艺压力为8.0MPa时相差无几,但随着压力的增大,狭缝式水腔出流面上的压力变异系数也是逐渐增加的,多孔式水腔的压力变异系数则同样几乎为常数。值得注意的是二者的压力变异系数值都非常小,均为10-3数量级。 在单因子分析的基础上采用进化策略和三维数值模拟相结合的方法分别对多孔式和狭缝式水腔进行优化设计初探。以出流面中心线处流体沿长度方向速度分布的CV值为目标函数,分别以多孔式水腔的分流孔中心距D2、均流棒半径R3和狭缝式水腔的圆筒均流器半径R3'、出流狭缝宽度D’为目标变量,采用(3,12)-ES进化策略进行全局搜索最优目标变量,然后通过建立和模拟新的模型计算每一组变量的目标函数值,并反复执行搜索和模拟计算操作,直到达到终止条件。多孔式水腔的优化在进化了14代后搜索到最优目标变量值(D2=18.4227mm,R3=9.9830mm),狭缝式水腔的优化在进化了17代后搜索到最优目标变量值(R3'=25.5444mm,D'=2.3759mm),优化后多孔式和狭缝式水腔出流面中心线处流体速度的CV值分别为0.9681%和1.7033%。 (2)分别采用多孔式和狭缝式水腔在不同工艺压力下制备了15组面密度和花纹结构不同的水刺非织造试验材料,以研究水腔结构对水刺材料性能的影响。对试验所得非织造材料的力学性能、纤维缠结性能、透通性及孔径分布等性能进行了分析。试验结果表明在相同的水腔压力配置时,多孔式水腔试验材料的纵横向强力和纤维缠结系数均大于狭缝式水腔水刺头所加固的非织造材料;试验材料幅宽方向的性能分布与水腔内流场分布及出流面中心线处流体速度和压力分布的CV值具有很好的一致性;多孔式水腔试验材料的强度和缠结系数较大,幅宽方向(CD)透气性较均匀且泡点孔径较小,而数值模拟结果表明多孔式水腔内压力和速度分布比较均匀,且水腔出流面上流体的速度和压力变异系数较小。 (3)研究实际工程中多孔式和狭缝式水腔结构对水刺系统工程能耗的影响,跟踪记录了6条水刺工程生产线(其中多孔式和狭缝式水刺生产线各3条)18个月期间每月的产量、耗水量和耗电量。分析得出多孔式水刺系统的单位标准品耗水量、耗电量以及综合能耗均低于狭缝式水刺系统,二者的产品单位可比水耗、电耗、综合能耗的比值分别为0.59、0.86、0.85。究其原因主要有三点:第一,在加工相同的产品时需要较大的工艺压力,从而导致工艺用水量增加;第二,工艺耗水量增加导致过滤系统反冲洗频率增加,从而进一步增加耗水量;第三,狭缝式水刺系统的水刺非织造材料离开水刺区时含水量比较大。工程应用表明水腔结构对水刺系统的工程能耗有明显影响。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TS174

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【引证文献】
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1 吴昊;水刺生产线产量影响因素研究[D];东华大学;2014年
【参考文献】
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【共引文献】
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【二级参考文献】
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