基于Fluent的可吸收缝合线射流喷嘴的流场数值模拟

2017-05-30隋修武王硕李瑶胡秀兵

现代纺织技术 2017年4期

隋修武　王硕　李瑶　胡秀兵

摘要：为了解决壳聚糖和胶原蛋白可吸收缝合线纺丝成型过程中的喷丝线径控制问题，运用Fluent软件对可吸收缝合线射流喷嘴的流场进行数值模拟。采用Gambit软件建立喷嘴模型，采用Fluent软件仿真喷嘴射流过程，最后通过Tecplot软件分析射流后流体半径尺寸。仿真结果表明：采用控制变量法，当其他条件不变时，射流后流体半径随入口速度的增大而减小，随流体粘度的增大而减小，随流体密度的增大而增大，随喷丝孔尺寸的增大而增大；入口速度和流体粘度单独增大时，射流后流体半径变小的趋势变缓；调整入口速度是喷丝线径控制问题最经济、方便、有效的措施；仿真结果与实测数据的偏差保持在9%以内。

关键词：可吸收缝合线；喷嘴；控制变量法；Fluent

中图分类号：TP69文献标志码：A文章编号：1009-265X（2017）04-0065-05Numerical Simulation of Flow Field of Absorbable

Suture Jet Nozzle Based on Fluent

SUI Xiuwu， WANG Shuo， LI Yao， HU Xiubing

（Tianjin Key Laboratory of Advanced Mechatronics Equipment Technology， a.School of

Mechanical Engineering； b.Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China）Abstract：To solve the problem of controlling the diameter of the filament in the process of spinning of absorbable suture of collagen and chitosan， numerical simulation of the flow field of the absorbable suture jet nozzle was made with Fluent software. Gambit software was adopted to build a nozzle model， Fluent software was adopted to simulate the jetting process of the nozzle jet nozzle， and Tecplot software was adopted to analyze the fluid radius after jetting. Simulation results show that the fluid radius decreases with the increase of the inlet velocity and the increase of liquid viscosity， and increases with the increases of density of liquid and the increase of the size of spinneret orifice in case the control variate method is adopted and other conditions remain unchanged； the speed of fluid radius reducing after jetting becomes smaller becomes slower as either the inlet velocity or fluid viscosity increases alone； adjusting the inlet velocity is the most economical， convenient and effective measures for controlling the diameter of filament. The deviation between the simulation results and the measured datas is less than 9%.

Key words：absorbable suture； nozzle； control variate method； Fluent

目前，對于可吸收缝合线纺丝成型过程的研究主要以实验为主，而且不能详尽地表述喷嘴内外流体流动状态。大多数可吸收缝合线制作公司还处于利用生产实践经验来控制喷丝线径的阶段，缺乏对材料的成型机理及纺丝工艺关键技术的掌握，致使制作出的缝合线线径粗细不均、抗张强度不均，严重影响到其推广应用。常规的实验方法会受到模型尺寸、流场扰动和测量仪器精度的限制。Fluent软件可以通过模拟喷嘴的射流过程看到整个流场的各种细节[510]。由于Fluent软件功能的限制和纺丝成型影响因素的复杂性，本文只研究初生态丝直径在流体粘度、流体密度、喷丝孔尺寸和入口速度单独影响下的变化规律。

1缝合线的成型机理

壳聚糖与胶原蛋白的原料混合流体在一定压力作用下，由喷丝孔喷出，形成一定直径的初生态丝。如图1所示。

由于原料混合液的粘度、喷丝孔入口速度等因素的影响，喷丝孔喷出的初生态丝直径d2与喷丝孔内直径d1不相等，而是存在一定的关系。初生态丝与凝固液（主要成份是丙酮、氨水等）进行酸碱分子的双向扩散，初生态丝中的酸性分子向凝固液中扩散，凝固液中的碱性分子向初生态丝扩散，形成成品丝。成品丝直径d3与初生态丝直径d2也不相等，也存在一定的关系。本文研究的是初生态丝直径d2在不同因素影响下的变化规律。

图2为成品丝成形机理分析图。

2模型的建立和网格划分

利用Gambit软件建立喷嘴模型如图3所示。由于喷嘴是轴对称图形，为了减少软件的计算量，只画出了一半的图形。根据生产中已实际使用的喷嘴尺寸，建模时采用以下尺寸：AB=0.015 m，BC=0.015 m，DE=0.03 m，HF=0.029 m，IJ=0.016 m，JK=0.013 m，KL=0.12 m，LM=0.03 m，AG=0.048 m。共采用5种符合国家标准的喷丝孔尺寸，分别是5#：内径0.26 mm，外径0.51 mm；6#：内径0.34 mm，外径0.64 mm；7#：内径0.41 mm，外径0.71 mm；8#：内径0.51 mm，外径0.81 mm；9#：内径0.60 mm，外径0.90 mm。FG为1/2的外径，EG为1/2的内径。

采用Quad四边形网格形式，Submap网格划分类型。

计算域边界设置如下：AB为喷嘴入口，设置为速度入口VELOCITY_INLET；EG为喷嘴出口；BCDEFHIJB为喷嘴壁，设置直线BC、CD、DE、EF、FH、HI、IJ、JK为WALL；JKLMGEFHIJ为射流流场外部，设置KL、LM为PRESSURE_OUTLET；AG、GM为轴线，设置AG、GM为AXIS。

3Fluent数值模拟

由于本实验涉及气液两相，故选用VOF模型，计算区域中气体占据的空间较多，将空气定义为基本相，将水定义为第二相。

3.1数学模型

a）本实验选用VOF模型。

VOF模型可以应用于2种或2种以上互不穿透流体间界面的跟踪计算。模型对每一相将引入体积分数，通过求解每一控制单元内的体积分数值来确定相同界面。对于水气二相流，设αw（x，y，z，t）和αa（x，y，z，t）分别代表每个控制单元内水、气所占体积分数，在每个单元中有：

αw+αa=1（1）

对于某个计算单元而言存在3种情况：a）：αw=1，表示该单元完全被水充满；b）：αw=0，表示该单元完全被气充满；c）：0<αw<1，表示该单元部分是水部分是气，有水气交界面。自由表面问题属于第3种情况。

b）湍流模型选用层流，即Laminar。雷诺数定义为：

Re=ρVdμ（2）

式中：d为管道直径，V为平均流速，μ为动力粘性系数。本实验中，最大的喷嘴管径d=0.000 84 m，最大的V=0.135 m/s，最大的ρ=1 400 kg/m3，最小的μ=0.6 kg/（m·s）。可计算得出Re=0.264 6<2 000，故选用层流模型Laminar。

3.2边界条件的设定

入口边界条件：入口采用速度入口，共设定0.055，0.075，0.095，0.115 m/s和0.135 m/s 5组值。出口边界条件：出口采用壓力出口，压力设置为0。固壁采用无滑移壁面条件。流体的密度共设定600，800，1 000，1 200 kg/m3和1 400 kg/m3 5组值。流体的粘度共设定0.6，0.8，1，1.2 kg/（m·s）和1.4 kg/（m·s）5组值。求解器设定为基于压力的求解器：PressureBased。

3.3模拟仿真

用Fluent软件导入Gambit软件生成的.msh文件。图4为9#喷丝孔，流体密度1 000 kg/m3，流体粘度1 kg/（m·s）的速度分布云图，图5为气相体积分数云图。

4模拟结果分析

为了得到射流后流体半径的大小，采用Tecplot进行后处理。用Tecplot软件导入Fluent生成的.cas和.dat文件。Zone Surfaces选择contour，Contour&MultiColoring Details选择X Velocity。通过局部放大，可看到图6所示结果：x轴为流体水平方向尺寸，y轴为射流后流体的半径尺寸。

采用控制变量法分别分析以下因素对射流后流体半径大小的影响。

4.1入口速度对射流后流体半径大小的影响

当流体密度为1 000 kg/m3，流体粘度为1 kg/（m·s），喷丝孔尺寸为9#时，入口速度分别设置为0.055，0.075，0.095，0.115 m/s和0.135 m/s，可得到如图7所示结果。

由图7可看出，当流体粘度、流体密度和喷丝孔尺寸不变时，入口速度越大，射流后流体半径越小。

4.2流体粘度对射流后流体半径大小的影响

当喷丝孔尺寸为9#，流体密度为1 000 kg/m3，入口速度为0.055 m/s时，流体粘度分别设置为0.6，0.8，1，1.2 kg/（m·s）和1.4 kg/（m·s），可得到如图8所示结果。

由图8可看出，当入口速度、流体密度和喷丝孔尺寸不变时，流体粘度越大，射流后流体半径越小。

4.3流体密度对射流后流体半径大小的影响

当喷丝孔尺寸为9#，流体粘度为1 kg/（m·s），入口速度为0.055 m/s时，流体密度分别设置为600，800，1 000，1 200 kg/m3和1 400 kg/m3，可得到如图9所示结果。

由图9可看出，当入口速度、流体粘度和喷丝孔尺寸不变时，流体密度越大，射流后流体半径越大。

4.4喷丝孔尺寸对射流后流体半径大小的影响

当流体密度为1 000 kg/m3，流体粘度为1 kg/（m·s）时，入口速度为0.055 m/s时，喷丝孔尺寸分别设置为5#，6#，7#，8#和9#，可得到如图10所示结果。

由图10可看出，当入口速度、流体粘度和流体密度不变时，喷丝孔尺寸越大，射流后流体半径越大。

5实验

为了验证仿真结果的正确性，利用立管式湿法纺丝机进行了实验。胶原蛋白与壳聚糖原料混合流体利用密度计测量的密度为967 kg/m3，利用粘度计测量的粘度为1.06 kg/（m·s），选用9 #喷丝针头。在入口速度分别设定为0.055、0.075、0.095、0.115和0.135的情况下，进行了缝合线的实际纺丝，将上述参数的软件仿真结果与初生态丝线经的测量结果如表1。

由表1可知，尽管有限元分析的线径与实测数据存在一定的偏差，但偏差基本保持在9%以内，并且在混合液材料的密度粘度一定的情况下，喷丝直径随喷丝速度的增加而减小的规律是一致的。

改变其他变量，实测数据与仿真结果的变化规律也是一致的。

6结论

本文的研究对象是以壳聚糖与胶原蛋白为原料的医用可吸收缝合线。采用控制变量法，分别研究了入口速度、流体粘度、流体密度和喷丝孔尺寸对射流后流体半径大小的影响。可得到以下结论：

a）当其他条件不变时，射流后流体半径随入口速度的增大而减小，随流体粘度的增大而减小，随流体密度的增大而增大，隨喷丝孔尺寸的增大而增大。

b）入口速度和流体粘度单独增大时，射流后流体半径变小的趋势变缓。故实际生产中，不能一味的增大入口速度或者流体粘度来达到减小射流后流体半径的目的。

c）对于纺丝成型过程中的喷丝线径控制问题，最经济、方便、有效的措施是控制可吸收缝合线的入口速度。但入口速度影响程度有限，不能只单独做出调整，需结合其他3个因素共同控制喷丝线径，最终确定各个参数的最优值。

d）仿真结果与实测数据的偏差保持在9%以内。

参考文献：

[1] 中国报告基地.2013—2017年中国医用可吸收缝合线行业市场行情发展趋势及投资前景预测报告[R].2013，6.

[2] 陈薇.医用可吸收缝合线[J].中国高新技术企业，2010（21）：32-33.

[3] 刘小红，陈向标，赖明河，等.可吸收医用缝合线的研究进展[J].合成纤维，2012，41（4）：23-26.