阶梯形喷嘴内溶液运动模拟与正交实验优化

高速离心纺丝时纺丝溶液从罐体流向喷嘴，最终从喷嘴出口射出，因此纺丝溶液流场模型由溶液罐体流道和喷嘴流道组成。溶液罐体和其两端的纺丝喷嘴共同组成离心纺丝喷丝头，阶梯形喷嘴喷丝头的三维结构如图4-11（a）所示。溶液罐体的长度均为60 mm，罐体的管道直径与喷嘴入口直径一致。对阶梯形喷嘴喷丝头流道模型进行非结构化网格划分，网格结构均为四面体网格，如图4-11（b）所示。为保证喷嘴处的网格划分质量和仿真结果的精确度，将整体网格的最大网格尺寸设置为0.1 mm。阶梯形喷嘴喷丝头的边界层网格结构为六面体网格，边界层一共分为3层。

图4-11　阶梯形喷嘴喷丝头模型

为了得到阶梯形喷嘴结构参数的最优组合，需要进行正交试验，并将纺丝溶液在阶梯形喷嘴内的出口速度作为研究的一个重要指标。选取阶梯形喷嘴的喷嘴总长度、入口段长度、入口直径和出口直径作为正交试验的四个因素，分别用代号A、B、C、D来表示。对阶梯形喷嘴结构的4种因素设计了数值模拟的正交试验，每种因素有3个水平，正交因素水平表如表4-1所示。

表4-1　阶梯形喷嘴的正交试验因素水平

根据正交试验因素水平表，得到9种不同结构参数组合的试验方案，并分别对9组试验方案中的阶梯形喷嘴喷丝头流场进行数值模拟，在4000 r/min转速下纺丝溶液在阶梯形喷嘴出口速度如表4-2所示。

表4-2　阶梯形喷嘴的正交试验结果

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表4-2中9组试验方案的阶梯形喷嘴内纺丝溶液流速分布云图如图4-12所示。从图4-12中可以看出，纺丝溶液从右侧喷嘴入口流向左侧喷嘴出口的过程中，流速呈现递增的趋势。图4-13为9组试验方案中阶梯形喷嘴出口截面的纺丝溶液流速分布云图。从图中可以看出，9组阶梯形喷嘴中纺丝溶液流速的高速区域都集中于喷嘴出口管壁的左侧，溶液流速大小从喷嘴出口的左侧壁面向右侧逐渐递减。

图4-12　9组试验方案中阶梯形喷嘴内溶液流速分布云图

图4-13　9组试验方案中阶梯形喷嘴出口截面的溶液流速分布云图

为了研究阶梯形喷嘴各因素对纺丝溶液出口速度的影响程度及判断最佳的因素组合，需要对纺丝溶液的出口速度进行极差分析。根据表4-2中的数据，阶梯形喷嘴出口速度的极差分析如表4-3所示。表中Ki为阶梯形喷嘴某因素在i水平的溶液出口速度的平均值，Ki的值大小可以用来判断该因素在i水平的优劣。R为阶梯形喷嘴某因素3个水平的Ki值中最大值与最小值的差，R值的大小可以用来判断该因素对溶液出口速度的影响程度。

表4-3　阶梯形喷嘴正交试验的极差分析

表4-3所示的阶梯形喷嘴正交试验的极差分析结果表明，阶梯形喷嘴因素对溶液出口速度影响程度的主次顺序为DCAB，即阶梯形喷嘴出口直径对溶液出口速度的影响最大，其次是入口直径、喷嘴总长度和入口段长度；阶梯形喷嘴的最佳因素组合为A2 B2 C3 D1，即当喷嘴总长度为20 mm，入口段长度为8 mm，入口直径为14 mm，出口直径为0.6 mm时，阶梯形喷嘴可获得最大的溶液出口速度。