车用吸音材料短纤与熔喷复合成型工艺及其短纤气流场的模拟

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本课题开发的车用吸音材料采用的生产工艺是在传统熔喷工艺和3M熔喷复合工艺的基础上进行的改进,选用原料为三位卷曲的涤纶短纤与阻燃PP熔喷纤维,其最终产品为立体网状结构,具有质量轻、无污染、吸音性能优良、可塑性好、易于粘贴、阻燃等优点,对促进我国熔喷复合非织造工艺技术的进步,打破国外相关技术的垄断具有重要意义。然而在调试过程中发现本工艺试样在其他物理性能指标相近的情况下,吸音性能与3M公司同类产品存在较大差异,从电镜图片对比发现本工艺试样中短纤和熔喷纤维混合均匀程度较差。由于短纤开松和熔喷工艺相对稳定,本文提出改进方案:以使用Fluent流体模拟软件研究短纤输送喷管内流场为手段,选定最优喷管模型、确定最佳供风量。本课题选用的Fluent流体模拟软件是目前处于世界领先地位的计算流体动力学(CFD)软件,是研究流体流动的理想工具。一方面通过fluent对喷管流场的数值模拟,形象而直观地获得各项流动参数;另一方面节约了开机调试进行试验的高昂成本。首先,本论文对短纤输送区的模型进行了简化,将开松辊周围气流场和补风气流场合二为一,以7个补风口处的速度作为模型的速度入口;同时建立现有弯管模型,以及重新设计的2种直型喷管模型作为研究对象。其次,本文假设喷管内气流为黏性、不可压缩的稳态湍流,同时不考虑输送过程中热交换,认为气流流动是等焓的。采用标准k-ε模型对其计算,使用分离式求解器,隐式方案进行求解,并结合边界函数法的边界条件进行数值模拟,模拟计算中对主要参量的残差和进出口的质量流量进行监控。接着,本论文依据上述数值模拟结果分析了两种不同供风量的工况下,不同喷管结构模型内短纤输送气流场的速度分布、压强分布情况,最后得出结论:补风量Q2=156.6m3/min、有37.5°斜切面出口的直管为最佳工艺配置。在这种工艺配置条件下,可以提供较为稳定的短纤输送流场,使得纤维经过平稳输送并在出口截面上速度分布均匀,提高了最终产品中短纤和熔喷纤维混合的均匀度。最后,本论文根据模拟的得出的最佳工艺配置进行了生产工艺改进和调试,选择厚度与面密度相接近的本课题试样和3M公司产品进行吸声性能对比分析,结果显示本课题试样达到了3M公司产品所具有的吸音性能,验证了数值模拟结果的准确性。
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