（机械制造及其自动化专业论文）熔融纺丝组件熔体流动数值分析及其结构设计优化研究.pdf

东华大学硕士论文 摘要 熔融纺丝组件熔体流动数值分析及其结构设计优化研究 摘要 经过几十年的快速发展，化纤行业已成为国民经济的重要 支柱产业之一，但新产品的品种和纤维质量仍然低于日美等发 达国家。而纺丝组件是纺丝过程中的关键设备之一。其性能的 好坏，直接影响到纤维可纺性及性能指标。 本论文首先介绍了纺丝组件的概况，以流变学基本原理为 理论依据，建立了熔体在组件中流动的数学模型。然后对组件 内各主要模块按照一定的情况进行装配，通过专用c f d 软件一 一f l u e n t 进行计算机数值模拟，分析了熔体在纺丝组件中的流 动情况。并从理想状态和非理想状态两方面分别分析了熔体在 给定的条件下的流动，得出各种条件下喷丝板出口的速度不匀 率，反映了在这些条件下所纺纤维的条干不匀率；同时，也分 析了熔体在组件内的停留时间，这也为实际生产和实验提供了 一定的理论依据。 目前国内对纺丝组件的设计大多限于经验，本论文研究的 最大意义在于打破了对常规组件设计的思路，结合如今强大的 计算机c a d c a e 功能，基本上实现了在计算机上模拟组件内熔 体流动，不但节约了实际生产成本又提高了效率，使纺丝组件 的设计步入了一个新的阶段。 关键词：纺丝组件，流体力学，c f d ，f l u e n t ，不匀率 东华大学硕士论文 n u n 匝r 【c a la n a iy s i so ff l o gf o rm g h p o l y m e r 口qs p d d 心j gp a c ka n do p t n 皿za t i o nt h e s t r i 圮t i 瓜a i ，o fi t a b s t r a c t a f t e rs e v e r a ld e c a d e so fr a p i dd e v e l o p m e n t ，c h e m i c a lf i b r e i n d u s t r yh a sb e e no n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t s o fn a t i o n a l e c o n o m y b u ts t i l l ，t h e v a r i e t i e so fc h e m i c a lf i b r ep r o d u c ta n d t h e q u a l i t yo f f i b r ea r en o tg o o de n o u g hc o m p a r e dw i t h d e v e l o p e dc o u n t r i e ss u c ha sj a p a na n da m e r i c a t h es p i n n i n g p a c ki so n eo ft h ek e yf a c i l i t yi nt h ep r o c e s so fs p i n n i n g ，a n dt h e p e r f o r m a n c eo fi td i r e c t l ya f f e c t st h es p i n n a b i l i t ya n dq u a l i t yo f f i b r e t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c et h eg e n e r a ls i t u a t i o no fs p i n n i n g p a c k ，a n db a s e do nh y d r o d y n a m i c s ，b u i l dt h em a t h e m a t i c s m o d e l 奎笼盔兰堡主丝苎丝! 里塑 a n dt h e n ，t h i sp a p e ra s s e m b l ee v e r ym a i nm o d u l ei nt h i sp a c k a c c o r d i n gt oac e r t a i ns i t u a t i o n a n a l y z et h ef l o a t i n gs i t u a t i o no f t h em e l ti ns p i n n i n gp a c k 。b yu s i n gs p e c i a lc f ds o 嶷w 莲f e f l u e n tf o rc o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw h i c hr e f l e c tt h e f l o a t i n go ft h em e l ti nt h ep a c k a n d ，a n a l y z et h ef l o a t i n go fm e l t i ng i v e nc o n d i t i o ni nb o t hi d e a ls t a t ea n dn o n i d e a ls t a t e ，a n dg e t t h ed e g r e eo fi r r e g u l a r i t yo ft h es p e e da tw h i c ht h em e l tf l o a t t h r o u g hs p i n n e r e ti n d i f f e r e n tc o n d i t i o nr e f l e c t i n gt h ef i b e r i r r e g u l a r i t yi nd i f f e r e n tc o n d i t i o n ；a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e r a l s oa n a l y z et h em e l t ss t a yt i m ei np a c k ，s oc a na l s op r o v i d e s o m et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o r p r a c t i c a l m a n u f a c t u r ea n d e x p e r i m e n t a tp r e s e n t ，t h ed e s i g no ft h es p i n n i n gp a c ki no u rc o u n t r yi s m o s t l yl i m i t e db ye x p e r i e n c e t h em e a n i n go ft h er e s e a r c hi n t h i sp a p e ri st h a ti tb r e a kt h er o u t i n eo fd e s i g n i n gb yu s i n gt h e p o w e r f u lc a d c a ef u n c t i o no fm o d e mc o m p u t e ra n dr e a l i z e s i m u l a t i n gt h ef l o a t i n go fm e l ti np a c kb yc o m p u t e r i nt h i sw a y , m a n u f a c t u r i n gc o s tc a nb er e d u c e da n dt h ee f f i c i e n c y c a nb e i m p r o v e dt o o t h ed e s i g no fs p i n n i n gp a c kc a nb ep r o m o t e dt oa 1 1 1 券牮大学硕士论文 n e wl e v e l ， 垡q 蟹( m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r & a u t o m a t i o n ) s u p e r v i s e db yp r o f d a ih u i - l i a n g k e yw o rd s ：s p i n n i n g - p a c k ，h y d r o d y n a m i c s ，c f d ，f l u e n t ， d e g r e eo fi r r e g u l a r i t y i v 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担 学位论文作者签名；髫义 日期：妒口5 年3 月f 五日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于， 不保密盯。 学位论文作者签名：凿 指导教师签名： 日期：2 0 年3 月i 王日日期：毋而年弓月，日 东华大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 早在2 0 世纪5 0 年代，我国就确立了发展化纤和天然纤维并举的方 针，指引着化纤工业半个世纪的快速发展。目前，我国化纤纤维工业品 种齐全，已经发展成为一个门类齐全的工业体系，并能自制现代化纤设 备，国产化率7 0 以上。在全国纺织工业原料中，化纤已占6 3 9 6 f ” 我国化纤工业也存在一些差距，主要表现在：差别化和功能性纤维 较弱；装备和工程开发能力不强；高技术、高性能纤维尚无大生产；引 进技术和设备有余，研究、开发和创新不足；国际竞争力不强l ”。 到2 0 1 0 年，我国的化纤科技工程将向着提高工艺和装备水平，常 规产品差别化、功能化等方向发展。其中多异纤维是其中一个重要的发 展方向，多异纤维以异材质、异纤度、异截面、异收缩为特征，经织造、 染整处理后，会赋予面料特殊的观感、触感和性能【3 1 。其关键技术在于 喷丝板和纺丝组件的设计和制造。 在熔融纺丝加工中，纺丝组件的作用是使聚合物熔体精细过滤，充 分混合，均匀分布，并在一定压力下通过喷丝板微孔，挤出形成丝条纺 丝组件被称为工艺流程中的心脏，在同一套设备上要生产不同的品种， 是通过不同的纺丝组件来实现的。纺丝组件的好坏直接影响生产的正常 进行【4 “6 1 纺丝组件的设计主要需确定其结构和尺寸其中外部结构和尺寸牵 涉到本身强度和刚度，热变形和抗腐蚀问题，也涉及装拆和密封问题。 纺丝组件的内件担负着主要的纺丝功能，如何选择分配、过滤和混合元 件，必须从流体力学、流变学和传热学角度充分考虑和核算。 由于熔体由入口经由纺丝组件流出，在组件中的流动过程比较复 杂，目前并没有定量的理论公式的对其进行计算分析，现在在纺丝组件 设计时，大多数靠试纺经验进行结构设计，没有严格的理论依据，本论 东华大学硕士论文 第一章绪论 文在流变学理论的基础上【 ，用f l u e n t 软件对熔体在纺丝组件中的流动 状态进行数值模拟分析，建立了组件内熔体流动状态的数学模型，模拟 出流体通过纺丝组件时的速度场、压力场以及熔体在组件中停留时间等 的变化情况。并分析了组件结构不同设计时对纺丝质量的影响，为纺丝 组件的优化设计提供了有力的证据。在此基础上进行了组件设计，并通 过纺丝实验进行了验证。 东华大学硕士论文 第二章纤维成形及纺丝组件设计概述 第二章纤维成形及纺丝组件设计概述 2 1化学纤维的成形过程 2 1 1化学纤维成形过程 化学纤维的制造通常包括下列几个主要操作过程【8 】： ( 1 ) 成纤聚合物的制备； ( 2 ) 纺丝流体( 聚合物的熔体、溶液、乳液等) 的制备： ( 3 ) 纺丝，即纺丝流体的挤出及随后的固化和纺丝线的变形； ( 4 ) 拉伸； ( 5 ) 热处理； ( 6 ) 纺织加工过程( 加捻、上油、染色等) 。 操作( 1 ) 纯粹是化学操作过程( 单体合成，聚合作用，天然聚合 物的变性等) 。操作( 2 ) 则是在化学工程中的典型单元过程，如熔融、 溶解、混和、脱泡、过滤等。操作( 3 ) 、( 4 ) 、( 5 ) 就是化学纤维工业 上特有的成形操作。本论文主要研究的部分即与操作( 3 ) 有很大的关 系。操作( 6 ) 则是经典的纺织工艺的一部分，同样运用于天然纤维和 化学纤维。 2 1 2 化学纤维制法 化学纤维的制法主要分为三大类9 l 【1 0 】：( 1 ) 熔融纺丝；( 2 ) 溶液干 法纺丝；( 3 ) 溶液湿法纺丝。 熔融纺丝是最简单和最经济的纤维成形方法。不过它只应用于熔融 时不分解和到达高温流动性温度时属于热稳定性的聚合物( 例如聚酰 胺、聚酯、聚苯乙烯、聚烯烃、无机玻璃等) 。熔融的聚合物通过纺丝 组件后挤出，进入气态( 或不常用的液体) 的介质中，物料在其中冷却 3 系华大学硕士论文第二章纤维成形及纺熊组件设计概述 秘发生固化。本论文主簧 孪论兹繇必熔融纺丝中豹纺丝组纷。 溶液千法纺丝是将聚合物溶解禚挥发性溶裁中制成纺丝原液。纺琏i 的丝流在热箱中遇到热气流将溶剂蒸发，使丝凝嘲。这个历史最悠久的 绣丝方法( c h a r d o n n e t 丝，瑟磷酸纾绦) 豹缺点，裁在于必须强收溶蓑， 运往往招致棚当大的损失。用干法纺的纤维包括纤维素醋酸貉，丙烯膪， 麟酸乙烯酯，氯乙烯的聚合物和共聚物及聚乙烯醇。 溶液熬澎法纺丝逶用于毒溶掰戆、熔融嚣季分子结搀要分嬷嚣且不溶 于任何挥发住溶剂的聚含物( 纤维索，聚丙烯膊，聚乙烯酵，蛋白质) 。 此法是将聚合物溶液挤联进入含有非溶剂液体的“凝固浴”中。纺出的 熊褒浴中熬瓣纯实嚣是鞠分离终愿、冻获纯终爰，豢拳毽是纯学复痉豹 结聚l 。 2 2纺丝缀件的结构及工作原理 2 2 1纺憋缀件的结构糊作用【1 2 5 l 搬据所纺纤维熬类剐、纺丝压力及工艺条搏巍孽苓弱，其缝梅形式亦 不阍。常规的缎件主要由扩散板、密封圈、过滤胺、分配板、黼压板( 承 滕板) 、喷丝板和组件座镰组成，图2 - 1 即为普通缀纤维高压纺丝组件示 意嚣。踅2 - 2 2 4 为薯襄戆茏骂捺公蠲豹菜些缀绛。 东华大学硕士论文 第二章纤维成形及纺丝组件设计概述 图2 - 1短纤维高压纺丝组件 1 一压紧螺母 2 一吊环 3 - - 喷丝板座4 、5 - - 0 型密封圈 6 - - 扩散板 7 、 1 2 、1 4 密封垫片8 一分配板9 、1 0 一过滤网 1 1 - - 耐压板1 3 一喷丝板1 5 一 压板 1 6 、1 7 、1 8 一滤砂 图2 - 2圆形复合纤维纺丝组件 5 东华大学硕士论文 第二章纤维成形及纺丝组件设计概述 密封 甜丹 密封 分配撕 苎t 图2 - 3矩形纺丝组件 y 上亮# ，队口椭体分e 质 图2 - - 4 直径4 1 0 m m 的圆形纺丝组件 其主要作用是将由计量泵送来的纺丝液，过滤后从喷丝板上的微孔 均匀的喷成细流，再经吹风冷却或与凝固浴液作用形成纤维。因而，纺 丝组件的设计和制造质量对纤维品质有很大的影响。 2 2 2 纺丝组件的工作原理【1 6 2 0 】 因为整个纺丝的过程即是在一定的压力下把高温熔体从纺丝组件 中挤出成型因此组件中的压力及压降有着相当大的作用 如图2 - 5 所示的长丝纺丝组件，熔体自通道孔进入组件内腔喇叭 口形的扩散板底部和过滤层平面问形成的流道截面，沿半径方向逐渐缩 东华大学硕士论文第二章纤维成形及纺丝组件设计概述 小，迫使熔体沿半径方向的流动速度加快，以避免滞流。 图2 5高压纺丝组件( 长丝) 1 一铝垫圈2 一中间垫圈3 一压紧盖4 一熔体扩散板5 一o 型密封圈 6 一滤网 ( 3 2 目) 7 一纺丝箱体8 一铝包边滤同( 4 0 0 目)9 一分配板1 0 一铝包边滤网 ( 2 5 0 目)1 1 - - 喷丝板 3 2 目的过滤网用钢丝编成，压在过滤砂层上，防止组件搬动时，砂 层移动，因此称作罩网，熔体经过4 0 目砂、6 0 目砂和细玻璃珠组成的 三层过滤层，基本上被过滤清洁，并且被充分的混合均化，使熔体各部 分的温度和粘度进一步均一。玻璃珠下面的6 0 目砂层起固定玻璃珠层 的作用。而4 0 0 目和2 5 0 目的铝包边过滤网，则起防止被粉粹的过滤材 料的细粒漏到喷丝板上的作用，同时，也起分配高聚物熔体的作用。熔 体进入喷丝板前还要经过分配板，它起着均匀分配熔体的作用，熔体通 过喷丝板微孔后形成丝束。 纺丝头的初始压力等于各层压力损失之和，用公式表达为： 昂= 斥3 2 + 4 0 + + + + 耳m + + 斥2 5 0 + 岛 ( 2 1 ) 式中：昂一一纺丝头初始压力( 只) ； 斥3 2 一一3 2 目罩网上的压力损失( p o ) ； 。一一4 0 目砂子上的压力损失( 只) ； 一一6 0 目砂子上的压力损失( p o ) ； 一一玻璃珠层上的压力损失( 只) ； b 枷一一4 0 0 目金属网上的压力损失( 只) ； 一一分配板上的压力损失( p o ) ； 承华大学硕士论文 第二章纤维成形及纺熊组件设计概述 易。一一2 5 0 基金属弱土豹压力损失( 只) ； 珞一一喷熊板上的压力损失( 只) 。 三层金属网和分配板上的压力损失较小，可以忽略不计，则上式简 l ：淹； 磊= 昂* + + 最m + 岛 ( 2 2 ) 金属网尺寸见图2 - 6 ： | ll l 磊 i l l li 1 单层过滤网的压力损失计算 裹聚戆络俸逶遂攀簇遗滤羯耱聪秀蔹失霸滚藿之瓣熬关系黧下式： 厂= 虿1 6 ( 2 - 3 ) 式孛；f 一一摩擦缀子； r 。一一雷诺凇数。 ，。堂华( 2 4 )。 2 l v 2 矿 、一。7 也：擎l ( 2 - 5 ) 2 - 3 ( 3 + k ) 4 掰( 尹。 “ 箨 式中： 战一相邻网丝间的( 平均) 小方孔边长( m ) ； 蛾一一单豢滤弼豹愿力损失( 冀) ； l 一一阕犹通道长度，取网丝毫径d 鲍2 僚( m 。翔露 2 7 所示； 糸华大学硕士论文 第二章纤维成形及绡熊组件设计概述 v 一一经过小网孔的警均流速( m s ) ； p 一一熔体密度( k g m 3 ) ； n 一一熔体非牛顿指数； 带；一一在瓠准状态剪切遽率下豹熔俗糙度( 匕s ) ； 矿。一一标准状态下的翳切速率( $ 卅) 。 综合以上各式得出臌力损失躲。 2 “2 ( 3 十三) 4 黟o ，铲- 。) “占矿 娥= 麓 ( 2 - 6 ) 逶蓬夺嚣张戆乎稳流遽v 爱下式谤莫： v 。2 2l 2 = ( 2 7 ) 似蘧瓦蕊 弘7 式孛：w 一一每夺露瓣缓量流鬟( k g h ) ； 矾一滤网戴崴径( m ) ； z 一一滤网单位长度的孔格数，亦可内筛孔目数换算成单位 彀度戆瑟裕数。 再次综合上面的式予可得： 噱= 墨譬；( 户9 ) 1 ”( 驴，磁力” ( 2 - 8 ) 式孛；舔一澹礴爨力蕹子。 咒观棚o + 印渤，“ 寿 c 2 却 揩lz 一王 i 壶上式麓遴，对予莱耱瘫格豹滤瓣，嚣仅必鼓翡函数。嚣不是无 因次量，其单位取决于z 、d 、d o 及n 。若用国际单位时，乓单位为m - 3 n 2 砂层和玻璃璩层中的聪力教失计辣 2 粥 ( 2 1o ) 式中；蠡脚一一砂予( m ) 或玻璃珠( g b ) 的阻力系数( 朋- 2 ) 由 爽验测定，袭2 - 1 热菜些材料躲实测数据； 警一一聚合秘熔体精度( 圪$ ) ； v 一一流经越滤层表面积上的平均流速( m s ) ； 系华大学硕士论文 第= 章纤维成形及纺艟组件设计概述 屯牌一一移予蒗玻璃臻滋岸疫( 毽) 。 v ：粤 ( 2 1 1 ) 、 式孛：q 一一熔钵滚堂，帮泵供塞( m 3 s ) ； a 一一砂展或玻璃珠屡袭面积( 挪2 ) 。 ：孥( m ) ( 2 1 2 ) 蠢，y 式中：峨脚一一砂予或玻璃珠屎的重量( k g ) ； ，一一砂子溅玻璃珠层的堆积重度( k g m 3 ) ，见表2 2 。 袭2 1 砂及玻璃珠阻力系数 滤料4 0 目砂于6 0 秘秒予玻璃珠7 1 9玻璃珠 7 1 5 阻力系 1 0 9 x1 0 1 03 0 5 l o m1 5 3 1 0 1 01 9 8 x1 0 1 0 数( m - 2 ) 袭2 - 2 砂及城璃珠的堆积熬度 滤辩4 0 秘砂子6 0 羁砂子玻璃璩7 1 9玻璃珠 7 1 5 堆积黧度 1 0 9 x 1 0 1 01 8 8 1 0 81 4 8 x 1 0 01 4 5 1 0 8 ； 以一一喷丝檄微孔直径( m ) ； v 一流经全部喷丝板微张嚣积的平均流速( m s ) 。 v ；罢 ( 2 朋) 戚：z 式中：q 一一喷丝垂，靼泵供量( 掰3 s ) ； z 一喷丝投魏数。 2 3纺丝组件的设计原则t 2 1 2 4 1 2 3 t纺鲢编件的设计鬃求 熔体成均匀地分配剿喷丝头各小孔，通道阻力应相等，组件内不 髓有死角，以免藩俸停黧时闯过长蔼袈解。髂体流遂应蕊工褥光淫，衰 东肇大学硕士论文第二章纤维成形及纺熊组件设计概述 露糕糙度应低予影；密封酝，没有游浆现象；过滤俸薅好，使用 周期长；凡岛熔体直接接触的零件均需耐高温、耐腐蚀；攫个纺丝 缎终要有足够瓣强度和剐发； 便于抉速攥装。农纺丝过程巾，豢要周 期饿的清理组件和更换喷熬板，因此谯结构中要保证能够迅遴她从纺丝 箱上拆下和换上组件，组件本体也应便于装拆。 2 。3 2纺丝缝侔蠹元律静设诗 ( 1 ) 扩散板；普通纺熊组件，熔体多为中心入口式( 如图2 6 所示) 。 热谚麸入墨遘入由扩歉叛筑建滤凄稳藏愆茨室器，鬟要鹭勾努农蘩遂滤 层t ，因此常将扩散板底部制成圆锥状( 喇叭日形状) 。 ( 2 ) 过滤层【2 扣2 7 1 ；过滤层的选用应能保证所簧求的过滤精度，并 曩辩熔落毒较好瓣混练璃稼效果。痖该後逶蓬过滤瀑戆菸俸嚣力主舞速 度较慢，从而肖较长的使用周期。对予高压纺丝，所选用的过滤层应能 建藏起所需要的初始压力。 金属圈避滤层：蠢箭生产上使麓鹣酱逶绫熊缀律多采用兰层不锈 钢丝网作为过滤层，一般怒将i o o o o 孑l c m 2 网放在第一层( 最上层) ， 主骥起过滤作用。第二层为2 5 0 0 孔c 网，主受起分配和支撑作用。 第三层蔻4 0 0 筏c 矿网，生要起鸯蘩支撵终用。 目前过滤网没有统一的标准，网的规格不完众相同。规格尺寸可查 翅髑关资料，缎是具体选撵纷么型号驰过滤网还是要根据现场芏艺作出 最膳酶决定。 金属丝网的特点是过滤孔径均一，能保证规定的过滤精度。但压力 上终较抉，纺熊组譬 使用髑期短。 砂及玻璃珠过滤层；作为过滤鼷的砂，我黼潋使用天然生产的海 砂一一石英砂( s i 0 ：9 9 ) 为主。根据试验，使用海砂，压力升平缓， 抗燕强度进金涮秒蹇，毫聪下产生耪寒少。 国外有使用金刚砂( a 1z 0 ，) 的经验。 过滤砂层由无定形砂颗粒组成，嘏细孔不规则，孔的分布也不均匀， 1 2 求华大学硕士论文第二帮纤维成形及纺熊组件设计概述 翻越混炼效莱好，过滤耪发较差。 玻璃珠斑游层由球形玻璃颗粒缀成，毛细孺的排列和砂滕稽院要趣 则些，因此亳细孔的阻塞速度慢，使用中压力升墩比砂层慢，但对熔体 垂冬混炼终媛稻麓。 可以通过的杂质粒予赢径越大，即过滤精度越低，纺丝质豢下降。 佩可以通过的粒子直径小，组件的初始压力大，聪力上升速度快。生产 孛簸将海砂_ 糨金演砂瓤会使薅，缀少选惩玻璃珠等大壹经豹过滤秘 质。 烧结金属过滤层：烧结金属为种复杂孔网的整体过滤层。国外 蘩麓厂家接荐傻翔。据奔绥黠褰耧发熔髂嚣无飒猕含量较多静熔薅过滤 和混炼的效果好。烧结众属过滤器的使用寿命和过滤性能详见相关资 料。 ( 3 分聚叛2 8 - 3 3 l ：分配教豹终耀楚耱薅俸均匀楚分聚瑟磺丝裂土。 对于元件简单的纺丝组件，分配板还怒支撑过滤朦和承受压力的作用。 ( 4 ) 混流板：对于多孑l 数大直径的短纤维喷熬板，熔体供量大，为 嫠纺丝缓终内务薤静薅髂滋度彝糕度均萄一致，鬟在绣墼头串麴设溪流 板，以保证纺艘质量。 ( 5 ) 耐压扳：普通纺熬组件和长熬高压纺丝缀件中熔体聪力主要由 分配板承受，瓣予短纤维鬻蘧纺丝缝僚，鸯予蠹麓盏径较大，往往设置 耐压板来承受简压。 耐压板多为圆形孔板，孔的设计与分配板类间，材料使用t c r , 。n i 9 r , 不锈镶。 ( 6 ) 喷趱板3 4 “36 1 纤维成形是将戎纤礴聚物熔体用计量泵连续、定量两均匀地扶喷丝 援的微耗串挤蹬。喷丝板盼设计既涉及商聚锈滚变学，又涉及辊械黯工 领域。且由予聚合物熔体在喷丝孔内流动的复杂性，且喷丝孑l 的孔型、 足砖瓣纺丝成激有缀大鲍影虢，对喷熊板孔的设计就戏了一个重要研究 的重点，聚会物熔俸在圆形箍中的流渤已经有了较多的经验，对于异形 孔，特别是复杂的异形孔的设计方法尚无规范化的理论指导，本篇论文 东华大学硕士论文第二章纤维成形及纺丝组件设计概述 也着重对圆形孔进行了分析。 2 4 本章小结 本章中主要介绍了纺丝组件的基本组成及设计原理，在本篇论文 中，对组件的各主要部分作了一定的介绍。特别对过滤介质及分配板的 压降及设计进行了较为详细的说明，这也是为论文后面研究的重点进行 了理论铺垫。 东华大学硕士论文第三章高聚物熔体流动分析理论与模型建立 第三章高聚物熔体流动分析理论与模型建立 3 1熔体流动的基本理论 3 1 1 流体力学的发展概况【3 7 “o 】 流体力学开始形成一门独立的科学始于1 8 世纪。伯努利( b e r n o u l l i ) 的研究工作对流体力学的发展起到了重要促进作用，伯努利首先将能量 守恒定律应用于流体力学，于1 7 3 8 年得出了著名的伯努利方程。欧拉 ( e u l e r ) 的研究奠定了经典流体力学的基础，他所建立的欧拉方程( 1 7 5 5 年) 至今仍是研究流体的基本方程之一。1 9 世纪，随着工程技术的进展 流体力学得到进一步的发展和充实。该世纪上半叶，纳维( n a v i e r ) 和斯 托克斯( s t o k e s ) 在欧拉运动方程基础上建立了考虑粘性的实际流体运动 方程，即纳维一斯托克斯方程( n s 方程) ，得到了广泛应用。著名的雷 诺( r e y n o l d ) 试验( 1 8 8 3 年) 区分了实际流体存在的层流和湍流两种基本流 动状态，雷诺是湍流运动理论的创始者，他于1 8 9 5 年得出了雷诺方程 一一平均n s 方程。1 9 世纪中的其他学者诸如泊肃叶( p o i s e u i l l e ) ，达西 ( d a r c y ) 等都对流体的摩擦阻力进行了广泛研究，使得粘性流体力学 得到迅速发展。到了2 0 世纪，由于工程技术尤其是航空科学技术的发 展，流体力学发展到一个崭新的阶段。此间的边界层理论、机翼理论及 湍流理论的建立对近代流体力学的发展具有十分重要的意义。尽管如此 由于流体流动的复杂性和数学工具的有限，人们还只能就一些简单的情 况( 如圆管、同心环、平行板等) 获得近似的解析解。特别在对气体动力 学研究中，非线性偏微分方程组的求解进展极慢，而湍流的研究则主要 靠实验。 东华大学硕士论文第三章高聚物熔体流动分析理论与模型建立 3 1 。2 睾 算流体匆学及擒荚数僮算法 4 1 “4 3 1 3 1 2 1计算流体力学的发展 由予曩蔻缀难获褥对笈杂耍 莓翻三维滚动糖确戆簿辑瓣；箍量流体 动力学研究的物理现象丰窝多彩( 激波、非定常流动、粘性流体、湍流 现象等) ；并服对物理现象的研究，融经建立起流体动力学的各类方程 缀；又毒手求瓣棼线性方稷缀熬逵切瑟求等踉霆，笈褥流体臻力学稷适 意予计算分析。随着电予计算机的出现和现代计算技术的飞速发展，近 二麓十年来，程流体运动的数值模拟、数值计算和计算机实骏方而获得 蓬麓发曩，莠形裁了滚髂秀学豹豢分支：谤算滚髂力学( e o 挪p h t a t i o n 8 l f l u i dd y n a m i c 8 ，简称c f d ) ，使得流体动力学的发展进入了一个新阶段。 c f d 以电予计算机作为模拟、计算或宓验手段来数值求解各种各样的流 钵滚动、黄燕簿羯蘧。是一令多镶域交叉豹学耱，涉及谤算橇辩学、流 体力学、偏微分数学理论、计算几何、数值分析镣学科。流体力学涉及 的物理现象是多方面的，翻前c f d 的威用领域己缀从一维、= 维发展到 三绫；获势滚发震蘩漩灞运动，麸瑟滚发展裂渍流，获定鬻流发震弱纂 定常流，从单相液体流动发展到液、阐两相流再到液、固、汽兰相流。 c f d 以其强大麴功能，在航空、水力、电力、化工、冶金和生化工程等 磊秘颁域褥弱了广泛的应掰，劳隽我溺耱气象臻撤、天造羹纛、远程运 载火箭以及飞船的发射等作出了巨大的赏献。 3 。 2 。2攘滚滚俸运动熬基本方法 描述流体运动的方法有欧拉方法( e u l e r i a n ) ，拉格朗日方法 ( l a g r a n g i a n ) 软及往意皴掺魏曩一歉控方法( a r b i t r a r yl a g r a n g i a n e u l e r i a n ，简称为a l e ) 。这些方法主鬻描述流体徽豳集合的运渤状态， 即流动参数的交化。流动参数包括邂动特征量( 如流体微丽的速度v ) 霸熬力学捩态黪薤量帮物镶参数( 魏滚钵徽霜压力p ，密度尹，瀣度霉) 。 流渤参数的变化是针对时阀t 或者空间( 坐标为x ) 的变化。褶魔地流动参 数称为未知数戏因变量，衙时间参数躐者空间坐标称为自变擞( 空间坐 东华大学硕士论文第三章高聚物熔体流动分析理论与模型建立 标是否为自变量取决于是否采用欧拉描述法) 。 ( 1 ) 欧拉方法在任意指定时刻，描述流动参数的空间分布。以 时空坐标( x ，t ) 为自变量，将流动参数( 主要有速度、密度、压力和温度 及其组合) 表示为时空坐标的函数用式子表示为： 妒；妒( x ，t ) = 九( l f ) ( 3 - 1 ) ( 2 ) 拉格朗日方法从某时刻开始跟踪每一流体质点，记录对应 质点流动参数的变化。以初始时刻a 和时间t 为自变量，将流动参数( 主 要有质点位移x ，密度、压力和温度等) 表示为： 妒= 妒( 一，t ) = 丸( 4 ，0 ( 3 - 2 ) 质点位移函数x = x ( a ，t ) ( 质点轨迹) 也是因变量，它与初始坐标a 成 一一对应关系，亦即： j x ( _ ，o ) 一( 3 3 ) i x = x ( a ，0 a = a ( 五，) 两种方法可以按下面方法进行转换： x = x c a ，t ) j a = a ( x ，f ) ( 3 - 4 ) l e 变换： = 九( 4 ，f ) = 九阻以，) ，f 1 = 九( x ，f ) ( 3 5 ) 矿= 降 。= v l ( a , t ) = v l a ( x , t ”m 似r ) ( 3 - 6 ) e l 变换： 矿= f 兰) 。= ( x ，f ) ，x ( 4 0 ) = a = x = 4 ，r ) ( 3 7 ) 优 妒= 九( x ，f ) = f 【“4 ，f ) ，f 】= 九( 4 ，f ) ( 3 8 ) 欧拉描述法中的流动参数如果与时间无关，即= 妒( 力，那么相应的 流动称为定常流动，否则称为非定常流动，一般很难存在严格意义上的 定常流动。在描述流体运动时，一般采用欧拉描述法。 3 1 2 3计算流体力学数值方法【4 4 1 计算流体力学中的数值方法有很多种，主要有有限差分法、有限元 1 7 东华大学硕士论文 第三章高聚物熔体流动分析理论与模型建立 法、有限体积法( 又叫控制体积法) 、边界元法、有限分析法等。 ( 1 ) 有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) 的基本思想是以差 商代替微商，对微分方程问题离散化，用包含有限多个未知量的差分方 程去近似代替微分方程，将微分方程问题转化为代数问题，最后求得微 分方程问题离散点的数值解。 ( 2 ) 有限元( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 方法是以变分原理或加权余 量法为基础，吸取差分法的离散化思想而发展起来的一种数值方法。 ( 3 ) 有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ) 又称为控制体积法，其 基本思路是；将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网 格点周围有一个控制体积：将待解的微分方程对每一个控制体积积分， 便得出一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量的数值。 3 2f i u e n t 软件介绍及流体动力学理论建模【4 5 埘1 自从1 6 8 7 年牛顿定律公布以来，直到2 0 世纪5 0 年代初，研究流 体力学的主要方法是两种：一是实验研究一一以地面实验为研究手段： 另一是理论分析方法一一利用简化的流动模型假设，给出所研究问题的 解析解或简化方程。 本文针对纺丝组件结构如分配板板上分配孔的分布情况、工作工 况、出入口边界条件和工艺介质特性等特点，进行流体动力学理论建模 分析。根据其实际工作状况，选择了单相流体的孔道数学计算模型，并 按湍流进行流动模型简化。拟采用国外最新版本的c f d 通用软件f l u e n t ， 进行典型孔道元件及工况的c f d 流体仿真计算。 3 2 1c f d 理论进展及f l u e n t 软件简介 计算流体力学简称c f d ，是c o m p u t a t i o n 8 lf l u i dd y n a m i c s 的缩略 形式，它基于数值计算和计算机软件技术上c f d 是采用数值方法直接 求解描述流体运动基本规律的非线性数值方程组，通过数值模拟方法研 究流体运动的规律。相对于实验流体力学和理论流体力学，c f d 有以下 几个特点：扩大了研究范围，一些原来认为难以解决的问题，采用c f d i s - 东华大学硕士论文第三章高聚物熔体流动分析理论与模型建立 可能得到解决：能给出较完整的定量结果：数值解总是离散近似解。 目前，基于流体动力学原理的c f d 软件十分丰富，如f l u e n t ，c f x ， s t a r c d ，a n s y s 和c f d r c 等，已可以提供从不可压缩到可压缩、层流到 湍流、单相到多相和多组份等很大范围的计算模拟能力。 在c f d 基本理论中，流体输运的数学模型与所模拟的几何结构及图 形的复杂情况紧密结合，因而，可以求解包括：层流非牛顿流的模拟， 涡轮机和汽车引擎的湍流热传导，锅炉内煤炭粉碎机的燃烧，可压射流， 空气动力外流，以及固体火箭发动机的可压化学反应流等各类复流动问 题。与工业技术的最新进展应用同步，通用c f d 软件还可以提供很多更 加有效的功能，如多孔介质，块参数( 风扇和热交换) ，周期性流动和 热传导，涡流，以及移动坐标系模型等。 特别提出的是，湍流模型已成为其极为重要的模拟部分，实际中普 遍存在的湍流会影响到诸多实际物理现象，如浮力和可压缩性，至今还 没有完美的解决方案和理论。因此，与流体动力学理论发展同步，c f d 软件中的湍流模型可以提供大部分的流场应用范围，不需要对特定的应 用做出太多的改变就可以得到相关的结果。其涵括了众多物理现象的影 响，如浮力和可压缩性等。 c f d 的发展与计算机技术的发展直接相关。这是因为采用数值方法 可能模拟物理问题的复杂程度，解决问题的广度、深度和所能给出数值 解的精度都与计算机的速度、内存、外围设备直接相关。在文献中 c h a p m a n 将c f d 的发展进程分为四个阶段：求解线性无粘流方程，如 小扰动位势流方程；求解非线性无粘流方程，如全位势流方程，e u l e r 方程；求解雷诺平均n - s 方程；求解非定常全n s 方程。这就是按 求解的数学方程逐步逼近非定常全n s 方程的过程，也是从易到难的过 程。随着计算技术的提高，巨型计算机的出现，计算流体力学求解问题 的广度和深度不断发展。近年来采用直接数值模拟和大涡模拟的方法， 研究湍流所取得的成果足以使人们确信，采用数值模拟方法与实验相结 合是突破多年来流体力学中的难题一一湍流问题的重要途径。 末华犬学硕士论文第三章高聚物熔体流动分析穗论与模型建立 3 。2 。2c f d 邋羽软释萄奔 各种c f d 通用软件的数学模型的缀成都是l ：上纳维斯托党斯( n - s ) 方程组与各种湍流模型为繁体，再加上多相流模溅，燃烧与化学反应流 模熬、鑫由嚣流篌鳌浚及嚣牛顿流体糗蓬等。大多数瓣鸯羹模鬃楚在主俸 方程组上补充些附加源项、附加输邀方程与关系式。 离散方法采用有限体积法( f v m ) 域有限元素法( f e w ) 。现在大多 数c f d 软箨都浆雳有限俸辍法。然露，有限元素浚氇有英往焘，它对态 阶婚数的离散精度高于有限体积法，低速黏性流动与非牛顿流体运动采 用蠢限元素法辩以提高精发。有限元素法也更适余流体力学与潮体力学 鞠藕合静闯题，如气动弹髋、振动噪声等，困照在c f d 方法巾将有英自 己的领域。目前国内销售的c f d 通用软件p h o e n i c s ，f l u e n t ，s t a r c d ， c f x 一张r s f l 侧鞠n u m e c a 镣都采用有限体积法，聪以强体力学计算为主 豹著名有限元软件a n s y s 中包含的流体力学计算楼块，适合予流露耩合 计算。p h o e n i c s 软件事最毕推出的c f d 通用软件，f l u e n t ，s t a r c d 与 c f x - t a r s f l o w 建羁翦晷黪露场上主流软锋，瑟n u m e c a 嬲代袭了c f d 遥 稻软件中的届趣之秀。p h o e n i c s 良低速热流输运现象为主，霄定局限 性；f l u e n t ，s t a r - c d ，c f x - t a r s f l o w 是目前的激流商业软件。f l u e n t 软l 譬淳孛畜较多黪滚嚣摸溅，它还可羧摆谤算蕹浆瀵整弼掺，这静阏格 的自适应和调熬只是在需鼗加密的流动区域里实施，而非整个流场，因 此可以节约计算时间。f l u e n t 的市场占有率达4 0 左右，怒应用面最 广、影羲最丈鹃c f d 软终；s t a r - c d 农霆本镄羹蠢营蓥，在汽车王鼗孛 广泛用于内燃机计算；而c f x - t a r s f l o w 则在叶轮机、核能工程等领域 广泛使用。综含比较各种c f d 软件后，决定采用f l u e n t 进行模拟。 3 2 3 流体力学基本物礁穷程e 4 鄙 建立在连续流动介质幼力学理论蒸础上，作为通用数值求解器，通 霜鹣c f d 软髂浚谤，一般鄂采矮壹接裳簿二维袋纛维熬纳缭袈兹尧 斯方程，简称为n - s 方程。是由纳缎( n a v i e r ) 予1 8 2 1 年和斯托克斯 东华大学硕士论文 第三章高聚物熔体流动分析理论与模型建立 ( s t o k e s ) 于1 8 4 5 年，分别建立的描述粘性不可压缩流体动量守恒的 运动偏微分方程。其与质量守恒和能量守恒方程一起构成描述流体流动 的封闭方程组，适用于所有的连续流动介质和流动状况。 ( 1 ) 连续性方程； 连续性方程( c o n t i n u i t ye q u a t i o n ) 是质量守恒原理在流体运动中 的表现形式。 矢量可以表示为： 譬+ 户旷) = 0 ( 3 9 ) ( 2 ) 运动方程( n a v i e r - - s t o k e s 方程) ： 运动方程也称动量方程( m o m e n t u me q u a t i o n ) ，是动量守恒原理在 流体运动中的表现形式。 矢量形式可表示为： d ，v ；霄一三删咖+ 于 ( 3 1 0 ) m p ( 3 ) 能量方程： 根据能量守恒定律，系统能量的增加等于对该系统所作的功与加入 系统的热量之和。 x 方向内部应力对单位质量流体所作的功为： 或了1 以誓+ 吒鲁w 等寺w 誓饥警， ( 3 - 1 1 ) 同理可得： 衫= 吉乜等坞芬誓+ - 鲁q - 鲁+ 勺挚 ( 3 - 1 2 ) 吭= 吉帕鲁鸲鲁w 警+ 鲁w 誓+ ( 3 - 1 3 ) 东华太学硕士论文 第三章高鬻物焙体流动分析理论与模型建立 3 。2 。4 本擒秀獠f 4 9 1 3 2 4 1p o w e rl a w 模型 这一模型巾豹糕度可袭示为： 蟹= k 尹州 ( 3 - 1 4 ) 式中，k 为稠度系数，袭示尹= l ，s 时的粘度，n 为粘度指数，尹为剪 甥速率。该搂溅瓣予摸羧纛浓、聚会纺耱攘获等魄较毒效。 3 2 4 2c a rr e a u 模型 该挨整豹秀程形式失： ，7 = 万舞( 3 - 1 5 ) 式中，矗衮器零葵弱糯发 p a + $ ) ，瑟为掰诿耱遂过渡葵甥速率( s ) ， c 为剪切速率趋于无限大时假塑区的粘度曲线斜率( 如图3 - 2 所示) 。 图3 - 2 由c a r r e a u 本构方程表示的近似粘度曲线 3 。2 。4 。3b i n g h a m 攘鍪 这是所谓的双粘性模烈，当应力在塑性标准以下时，流体袭现为刚 瞧棼，当应力怒j 童塑性撅猴辩，增热戆痘力与应交攀戎正毙，袭瑰翔弱 牛顿流体。该模型主要适用于泥浆。 东华大学硕士论文 第三章高聚物熔体流动分析理论与模型建立 f t o = k - 户一户 本文的分析采用p o w e rl a w ( 冥率) 模型。 3 2 5 工程假设 ( 3