聚丙烯非织造布熔喷过程的计算流体力学模拟研究进展

陈龙，李霞霞，李伟祥，戚锐，邓鑫，吴斌鑫

（浙江大学生物系统工程与食品科学学院，浙江 杭州 310058）

熔喷非织造材料在过滤、阻菌、吸附、防水等方面性能优异，与纺丝成网（纺黏）非织造材料可组成SMS（spound-mmeltblown-spound）复合材料（图1），大量应用于口罩、防护服、过滤材料等，并在新冠疫情期间成为国家储备物资。熔喷布相当于口罩的“心脏”。在新冠病毒疫情期间，N99 熔喷布的价格甚至达到过1 吨70 万人民币。虽然价格目前已经回落至疫情前水平，但其重要地位不言而喻。

图1 SMS结构口罩

模头组合件是熔喷布生产线的核心设备，而喷丝板是模头组合件的核心部件（图2）。黏流态聚合物从喷丝板上的喷丝孔中喷出，形成具有指定界面形状的熔喷纤维。由于是在高温高压环境下工作，喷丝板需要具有耐高温、高压、腐蚀等特性。喷丝孔直径、喷丝孔密度、喷丝孔长径比以及导入角是喷丝板结构中的重要参数，直接关系到喷丝板的使用寿命与制造成本、黏流态聚合物的流动特性与熔喷布成品质量。可见，喷丝板结构设计与工艺参数的设定将直接影响到熔喷布质量的优劣。喷丝板的制造难点在于喷丝孔的加工，应用难点在于工艺参数的优化。由于对熔喷布生产精度要求很高，因此喷丝孔加工难度非常大。目前市场上传统的喷丝孔加工方式主要有机械钻孔、冲丝机线切割、电弧深孔放电以及毛细管焊接加工等。全球生产高端熔喷模头的企业全部集中在日本和德国，如日本卡森、日本喷丝板、德国恩卡等。加工一台喷丝板的工期需要几个月的时间，在疫情期间一机难求。因此，研发出符合当前形势需求，具有自主知识产权的熔喷模头组合件是非常有必要的。

图2 模头与喷丝板

聚丙烯非织造布的熔喷工艺流程如图3 所示。首先将固态的聚丙烯切片放入到螺杆挤出机中。聚丙烯在此过程中会被加热至熔融状态，并在进行挤压、搅拌后，被送至计量泵。经过计量后，熔融状态下的聚丙烯进入模头。熔喷布目前所采用模头多数为衣架型模头[图4(a)]。熔融状态下的聚丙烯经模头流道分配后，进入喷丝板，并在过滤后从喷嘴中喷出。喷嘴目前多采用双槽形喷嘴[图4(b)]。当黏流态聚丙烯从喷嘴中喷出时会发生膨大现象，即喷丝孔处的熔体直径远大于喷丝孔内径。此时喷嘴两侧的空气流道会随即喷出高速高温气流将其拉伸。高温高速气体既延缓了聚丙烯的凝固，使其保持在低黏度状态，又将其在此过程中迅速细化。聚丙烯细化后形成了极细的短纤维，最终被吸附在托网板上并利用其余温连接成为熔喷非织造布，最后经运输、冷却后，进行成卷打包，即高聚物原料切片由固态经过熔融、挤压、搅拌、流动、分配、挤出、拉伸变细、结晶固化后成为最终产品。

图3 聚丙烯非织造布的熔喷工艺流程简图

图4 衣架型模头与双槽形喷嘴示意图

聚丙烯熔喷过程中的聚合物拉伸过程复杂而且时间极为短暂（约10s），整个拉伸过程难以用实验观察。因此计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）方法被广泛地应用于熔喷过程分析之中，主要包括模头中的流道分析、喷射流场分析，其中喷射流场分析是主要应用方向。本文将重点介绍CFD 方法在熔喷技术研究领域应用的最新进展和存在问题，并提出CFD 方法在熔喷流场分析及工艺参数优化等应用的展望。

1 实验表征与理论基础

熔喷技术最早可追溯至20 世纪50 年代，当时被美国海军应用于研发防护服，后于20 世纪60 年代，被美国埃克松（Exxon）公司转为民用，其熔喷膜组件如图5 所示。美国俄克拉荷马大学的Robert L. Shambaugh 自20 世纪80 年代至今，在非织造布熔喷工艺的研究上取得了一系列具有开创性的研究成果，涵盖了熔喷流场的测量与数值模拟、预测模型建立以及熔喷纤维拉伸模型建立等方面，为熔喷技术的发展提供了理论依据与数据支撑，并对我国相关领域的发展与探索产生了一定的影响。

图5 Exxon生产熔喷模具[9]

1.1 实验表征

1.1.1 熔喷过程纤维运动轨迹

在Shambaugh对Exxon 公司的模头（图5）、Schwarz设计的方形和三角形气孔模（图6）进行检验实验中，将熔喷过程分出了3 个区域。I 区是低速区，此区域内与熔融纺丝相似，纤维是连续的，其最终直径通常大于10μm。随着气体速度上升，熔喷纤维进入了不稳定的Ⅱ区。在此区域中，纤维被拉伸打破成纤维段，以及产生会导致成品粗糙的、纤维直径大于0.3mm 的纤维肿块和纤维断点。Ⅱ区最终纤维直径通常在0.5～10μm。随着气体速度的继续升高，熔喷纤维进入Ⅲ区。此区域中仍然存在纤维肿块，但其被高速气流拉伸后，直径将小于0.3mm，不会影响到最终产品的质量。并且，此区内的最终纤维直径最终被减小至0.1μm。

图6 Schwarz[10]描述的方形和三角形空气孔

可以采用激光多普勒测速仪（laser Doppler velocimetry，LDV）对熔喷过程中纤维运动方向进行观测。实验结果如图7所示，熔喷过程中的纤维运动方向在空间上被分成了3 个区域，即A 区、B 区、C 区。A 区位于熔喷模头出口附近，该区域内纤维方向及其运动方向均沿轴正向；C 区内的纤维方向及其运动方向都是任意的；B区是A区和C 区的过渡。需要注意的是，此处提到的3个区域与文献[9]中的3个区域不同。

图7 熔喷模具下方纤维运动的分区[13]

文献研究表明，聚合物流量、聚合物温度、空气流量（或气体速度）和空气温度是熔喷过程中的4个主要工艺参数，而在熔喷过程中加入震荡气体可与熔喷进气系统产生“共振”，能够促使熔喷过程产出比使用连续气体拉伸更细的纤维，同时降低生产成本。Bansal与Shambaugh通过在线测量熔喷过程中纤维直径的方法得出，超过96%的纤维拉伸过程是发生在距离模头1.5cm内的，而当纤维的温度趋于稳定时，则表明聚合物已经结晶。在该实验中聚合物结晶位置在距离模头4cm处附近。由此可见，延缓纤维冷却过程有利于降低纤维最终直径。

1.1.2 单环型喷射流场速度与温度分布

在单环喷射流场实验中，经研究发现单环喷射流场模式与雷诺数和喷丝板长径比（图8）的选择无关，其速度和温度分布的方式可以用一组与雷诺数、喷丝板长径比、工作温度和环空内径无关的关系式来描述。

图8 增压室和孔板[11]

1.1.3 双槽型喷射流场速度测量

可以采用多图像闪光摄影法和激光多普勒测速法对双槽型喷丝板下的流场速度进行测量（图9）。实验结果表明：①距离喷丝板较远的地方，其气流场近似于二维射流场；②熔喷纤维的振幅和频率与聚合物流量、聚合物温度、空气流量和空气温度等工艺条件呈函数关系，纤维在拉伸过程中，纤维锥截面略呈以轴为主轴的椭圆形，远离模组件后逐渐变成圆形；③矩形喷嘴（图10）下方的温度场与速度场相似，由于气体在喷射前已经过预加热，因此温度场变化比速度场慢，温度场的整体轮廓也比速度场宽。

图9 Vj0=17.3m/s，h=3.32mm时模具下方速度场[16]

图10 熔喷模具视图[18]

在上述基础上，Shambaugh 等测量了5 种矩形喷嘴下的速度场，分别为①射流角60°、平头喷嘴[图10(a)]；②射流角60°、尖头喷嘴[图11(a)]；③射流角70°、尖头喷嘴[图11(b)]；④射流角60°、内嵌式喷嘴，尖头、喷丝孔位置高于射流场[inset die，图11(c)]；⑤射流角60°、外凸式喷嘴、尖头、喷丝孔位置低于射流场[outset die，图11(d)]。由于模头具有较大的长宽比，因此该速度场近似于二维射流。实验结果表明，②号喷嘴流场具有较高的最大速度，两股射流融合得更快，优于①号喷嘴和③号喷嘴。④号喷嘴流场具有更高的速度，但是喷嘴内嵌距离过大会导致聚合物熔喷纤维粘连。模头的速度场可以用Bradbury方程、中心线速度衰减的幂律方程和射流半宽增长的线性方程来预测。最后指出，在对新材料进行熔喷时，建议选用平头喷嘴、射流角60°的熔喷模具。

图11 不同几何结构模具视图[19]

1.1.4 聚合物纤维对熔喷流场的影响模拟

对熔喷技术生产中空纤维的模拟研究发现（图12），生产中空纤维的熔喷过程与普通熔喷过程有明显区别。生产中空纤维所需的聚合物较少，能够有效节约成本。在该熔喷过程中，中空纤维受气流场拉伸而纤维直径降低，其受到的应力更大，进而导致了中空纤维具有更好的韧性。而且，中空纤维具有更高的纤维振幅与频率。

图12 用环形模生产中空纤维的熔喷工艺[20]

通过探究聚合物纤维对熔喷流场的影响，能够建立预测纤维速度、温度、直径的流变力模型。模拟结果表明，聚合物熔喷纤维的存在抑制了气流场湍流强度，增加了湍流的耗散，进而减小了气流速度波动，可以增大气流流速。因此，有聚合物情况下纺丝中心线处最大气流速度要比无聚合物情况下略大。气流场中空气剖面是不均匀的，其阻力大小取决于纤维边缘的径向位置。还指出气流温度与聚合物空气流量比有关，即空气的冷却速率随着聚合物空气流量比值的增加而降低。

Shambaugh 等提出了将定型点（freeze point）作为底部的边界条件，建立了一种用于预测纤维在熔喷过程中形成行为的模型（Shambaugh-Shambaugh 模型）。其预测参数包括纤维直径、速度、温度、应力和结晶度。其中，停止点是纤维应力为零、流场气体速度和纤维速度相等的点。预测结果表明，在典型的熔喷过程中聚合物纤维结晶几乎很少发生。在上述基础上，Shambaugh 等通过利用Shambaugh-Shambaugh 模型预测结果修正气流场来实现调整熔喷纤维生成质量，并对两类调整后的流场进行了模拟：第一类是气流场中有一个恒定的速度和温度平台；第二类是在流场中加入了淬火过程，促使黏流态下的聚合物纤维结晶。模拟结果表明：①在气流场中加入该平台会减小纤维最终直径，甚至可以达到同情况下无平台纤维最终直径的二分之一；②在气流场中加入淬火过程会导致熔喷纤维在线结晶，但整个过程所需的淬火温差较大，在该情况下，聚合物纤维最终直径较大。

在此基础上，Shambaugh 等又提出了在熔喷模头的气流场中安装一对隔板（图13）的设想，分别在有隔板和无隔板的情况下对气流速度进行了测量，并对隔板与气流平行、隔板与气流呈6°角进行了实验。实验结果表明：①可以通过在气流场中放置隔板来改变喷丝板下面的空气流场；②相较于普通情况，气流场中具有隔板可以使中心线空气速度保持在更高数值，对于该实验，隔板后缘的中心线空气速度比没有隔板时高出60%；③较高的中心线速度意味着可以使用相对正常条件下少量的气体而生成同样数量的无纺布；④熔喷过程中需要应用到大量的空气，而压缩、加热和回收气体都需要很高的成本，因此在流场中加入隔板会有显著的经济价值。

图13 安装导流隔板的熔喷喷射流场[24]

通过改变隔板形状，可以对喷射流场进行进一步的优化。实验表明：①当在喷丝板下放置翼型挡板时，熔喷获得纤维直径可以减少30%，甚至更多；②翼型挡板与喷丝板之间的距离约为5mm 或10mm 时效果良好；③两个翼型挡板的前缘应具有约610mm 的距离；④长度较大的翼型挡板平行对置效果更好；长度较小的翼型挡板倾斜对置效果更好；⑤翼型挡板的优选长度为20mm或30mm左右。

本节综述内容主要结论汇总如表1所示。

表1 熔喷过程实验研究及现象与主要结论

1.2 理论基础与经验模型

采用LDV 可以对熔喷过程中纤维数量和质量通量进行测量。文献[13]给出了可以确定纤维通过喷丝板下面指定区域质量通量函数模型[式(1)]。

式中，为纤维质量通量；为纤维在测量体积（指定区域）区域内的通过速率；为纤维密度，kg/m；m为在平面上投影的面积；为纤维直径，μm；为有效纤维长度，m。

文献[26]在能量守恒的基础上，给出了Schwarz喷丝板[图14(a)]温度场预测模型。该模型能够实现预测喷丝板下任何位置的温度[图14(b)]。结果表明，距离喷丝板较远的地方，其温度场近似于二维射流场。

图14 Schwarz喷丝板与其温度场预测模型[26]

Kayser与Shambaugh将模头尺寸、模头温度、聚合物进料树脂以及空气和聚合物质量流量等作为参数，建立了一个能够预测最终纤维直径的经验模型[式(2)]。并对导致纤维从连续状态过渡到不连续状态的条件进行了量化处理，从而实现利用该模型方程和状态过渡信息来预测熔喷过程。

式中，为最终纤维直径，μm；为微管直径，mm；为环内径，mm；M为聚合物质量流量，g/min；为质量通量比；和是待定的正常数；和M是参考值（其对应项的平均值）。

Uyttendaele 与Shambaugh建立了包括喷气对熔喷过程的主导效应以及惯性、引力和传热效应的一维稳定聚合物熔喷模型（Uyttendaele-Shambaugh模型），并用牛顿和黏弹性本构方程对该模型方程进行了数值求解，预测结果与试验数据相符。但该模型预测纤维最终直径偏高，原因是没有考虑到纤维在远离喷丝板后会有轻微的摇摆与振动，从而增加了纤维的拉伸力，降低了纤维直径。模型计算结果表明，应力诱导结晶（或类似现象）会导致有效定型温度（freeze temperature）的大幅度升高。

Rao 与Shambaugh在文献[28]建立的一维稳定聚合物熔喷模型的基础上进行了改进，建立了二维模型（Rao-Shambaugh 模型），将纤维在熔喷过程中显著的震动影响纳入到考虑之中，做出了如下假设：①纤维对弯曲没有任何抵抗力；②作用在纤维每个单元上的流体作用力与作用在直径和倾角相同的长直圆柱体单元上的流体作用力相同；③纤维张力仅取决于聚合物沿纤维轴的速度梯度；④只考虑二维条件。该模型能够用于预测导致纤维断裂的条件。从熔喷过程的实验观察来看，随着气体速度的增加，横向纤维运动变得非常明显（图15）。大振幅振动可能与Ⅰ区向Ⅱ区的转变有关。Shambaugh指出纤维中存在定型点，即过此点后纤维直径不再衰减，纤维的流变应力与重力、空气阻力相平衡。纤维的停止点定义为空气速度和纤维速度相等的点。停止点的流变应力等于0，不会向其以上的纤维段传送任何力。

图15 熔喷过程中的纤维震动示意图[29]

Marla 与Shambaugh在 一 维Uyttendaele-Shambaugh 模 型、二 维Rao-Shambaugh 模 型的基础上，建立了三维纤维运动预测模型（Marla-Shambaugh 模型），并用牛顿和黏弹性本构方程对模型方程进行数值求解。该模型能够预测纤维直径、衰减率、纤维振动频率和纤维振动振幅。但该模型没有考虑湍流，因此在纤维震动振幅的预测效果上不及上述其他两个模型。

本节所综述经验模型及其简述汇总如表2所示。

表2 Shambaugh等建立的熔喷过程主要经验模型简述

Shambaugh及其团队在熔喷过程中的流场测量与模拟、温度场测量与模拟、模头组合件设计与优化、熔喷过程模型建立、熔喷气流场优化等方面做了一系列的开创性工作。由于黏流态聚合物在熔喷过程中很难进行模拟，因此其熔喷气流场模拟是建立在熔融态聚合物纤维流对气流场影响很小的前提下。但实际上聚合物在熔喷过程中对流场的作用是不应被忽视的。而且由于涉及了离散相问题，且缺少相应的计算模型，熔喷过程中的聚合物流场模拟也很难实现。

2 CFD在熔喷过程模头流道分析中的应用

熔喷模组件由模头、喷丝板和两个气板组成。模头中流道类型的选择会直接影响黏流态聚合物是否能够均匀分配到喷丝板上。模头几何参数中，歧管倾角和成型面高度是影响流体分配均匀性的最主要因素，熔喷模头宽幅化是模头流道分析的重点研究方向。因此，需要对模头流道进行合理的优化设计。本节主要对目前CFD 在熔喷模头流道分析中的优化工作进行综述。

文献研究表明，在相同高度和宽度条件下，衣架型模头的整体性能较“T”型模头优，当料筒直径为0.008m、歧管倾角为40°、成型面高度为0.152m 时，均匀指数最优。目前，商用熔喷模组件所用流道普遍采用衣架型流道（图4）。黏流态聚合物流动性随衣架型模头成型面高度增高而增高。但过高的模头成型面会导致压降增高，从而增加能耗，亦会导致模头内各部分的黏流态聚合物体流经路径差异增大、模头宽度方向的分布不均匀性增加。因此，在该研究方向上需要寻找黏流态聚合物流动性与衣架型模头成型面高度的最优参数设置，以达到在保证流动性良好的前提下尽可能地降低能耗。

出口速度和滞留时间会显著影响最终熔喷布质量及性能。在熔喷过程中，衣架型模头处于高温密封工作环境，并且其成型面出口处直接与喷丝板对接，无法加装微调装置，导致出口速度和滞留时间无法实现在线检测，从而无法实现有效的闭环控制。研究表明，当模头宽度为200mm时，流率分布的CV%值约为2.95%，但当模头宽度增至1600mm 时，其流率分布CV%值竟高达9.56%。可以通过设计串联型宽幅组合模头的方法来解决上述问题。文献研究指出，可以利用CFD 技术对熔喷工艺中黏流态聚合物从衣架型模头入口到喷丝板出口整个流程中的流动进行仿真，然后在对单个衣架型模头优化设计的基础上，设计串联型宽幅组合模头，并以组合模头出口流率分布均匀为目标，得出最佳拼接位置。相关研究表明，当拼接位置离模头端部的距离为单个模头宽度的0.625%时，能基本消除拼接处的速度不均匀现象。如图16所示，该双衣架型模头幅宽3.4m，由两个幅宽1.7m 模头拼接而成。若两个衣架型模头仅进行简单拼接，将导致拼接位置出口速度CV%值较大，因此需采用双曲线歧管拼接。

图16 双衣架型模头示意图及其拼接位置处速度云图[34]

3 CFD在熔喷过程喷射流场分析中的应用

熔喷过程的CFD模拟主要应用于喷丝板下方的喷射流场研究。喷射流场中涉及了纤维气体两相流问题，包括了高速高温气体和聚合物纤维流，而黏流态聚合物纤维流又属于离散相问题。早期，学术界普遍认为聚合物熔体主要分布在纺丝中心线上，而且其方向很难确定，长径比高，弹性柔性度高。鉴于其对于喷射气流场影响较小，所以众多流场研究中都对其进行了简化，即忽略了纤维对气流场的作用，主要讨论气流场的速度分布、湍流强度分布以及温度分布。高温高速气流在气流场中可以实现成纱的四个基本过程，即分离、牵伸、凝聚、加捻，并且在此过程中延缓黏流态聚合物向玻璃态转化的速度。目前的熔喷设备主要分为两种：一种是双槽射流熔喷设备；另一种是环形喷嘴射流熔喷设备（图17）。两种熔喷设备的主要差别在于模头组合件上，空气射流狭槽和喷丝孔的位置配置不同。熔喷工艺参数主要包括工艺参数、喷嘴结构参数和纤维参数。对熔喷布结构和性能影响显著的因素包括喷嘴压力、喷孔倾角、喷孔位置、喷孔直径、喷嘴长度以及喷嘴入口和出口形状等。本节主要以熔喷过程喷射气流场为主进行综述。

图17 两种熔喷工艺形式及其射流对熔体的作用示意图[6]

3.1 喷射流场CFD模拟

在双槽型喷射流场的研究中，Shambaugh 等采用CFD 方法，对平头喷嘴和尖头喷嘴产生的流场进行了研究，并通过实验数据进行了验证。在该模拟中，忽略了聚合物的存在，为节省计算时间成本，将计算域分成轴对称两部分，仅计算其中一部分。该策略在后续国内研究中被纷纷效仿。通过CFD模拟，指出该喷射流场一共可分为三个区：第一区是在喷头下方，两条射流从两个单独的气槽中喷射出来；第二区距离喷头要更远一些，两股射流开始融合；第三区是两股射流完全合并成一股射流。在图18 中可以观察到在模头以下约3mm 的位置上，两个独立的射流是如何相互作用并最终形成一条射流的。模拟结果得出以下结论：①平头喷嘴有利于减少聚合物受射流影响而导致的波动，尖头喷嘴有利于增加射流速度；②降低喷射角度可以增加流速，但同时也增加了湍流强度；③雷诺应力的最大值并不在纺丝中心线上，而是在两条射流汇合处产生了两个以中心线对称的最大值区域，在此处下游，两股射流已汇合成一股射流的两侧也产生了雷诺应力的最大值区域（图19）；④无论平头喷嘴还是尖头喷嘴，湍流强度的最大值位于两条射流汇合点的中心线上。在该点之外，湍流产生的波动开始衰减（图20）。

图18 模拟得到的流场的典型总速度云图和速度矢量场云图[45]

图19 靠近模具表面的流场中雷诺应力云图[45]

图20 模具表面附近流场中湍流强度的云图[45]

Shambaugh 等采用CFD 方 法对文献[19]中④号喷嘴、⑤号喷嘴产生的流场进行研究，并通过实验数据进行了验证。如图21 所示，湍流动能中的局部最大值发生在收敛射流的合并位置（点），这是雷诺应力中两个最大值位置之间的区域。湍流能量中的最大值由图中的点表示，它们对应于高雷诺应力的区域。他们指出，对于内嵌式喷嘴（inset，④号喷嘴），随着嵌入距离的增加，对于相同的空气流量，聚合物在中心线上的平均速度要高得多。虽然这种做法会提高聚合物纤维的速度，但也会导致湍流强度提高，导致聚合物纤维在喷嘴附近产生强烈震动，从而影响纤维拉伸效果；对于外凸式喷嘴（outset，⑤号喷嘴），即可有效降低聚合物在喷嘴处由于湍流而产生的波动。因此，在实际应用中，需要根据需要来选择喷嘴形式。

图21 模面下方湍流动能等值线图[46]

结合实验数据验证表明，非等温平头喷嘴流场可划分成三个发展阶段：在第一个阶段内，每个射流产生的流场是单独且可分辨的；在第二个阶段内，两股射流开始合并，得到最大平均速度，气场速度达到最大值的点距离模头之间的长度称为合并距离；在第三个阶段内，是自相似区，流场与原点无关。在非等温尖头喷嘴流场中，可划分成两个发展阶段，与平头喷嘴流场前两个阶段相对应。减小射流与模面夹角能够提高平均速度和湍流波动。较高的平均速度会提高聚合物熔喷过程中纤维流速，能够降低其最终直径大小。但同时较高的湍流强度亦会造成聚合物熔喷过程中较大的震动，降低成品质量。因此，本文作者指出，平头喷嘴有利于减少聚合物熔喷过程中的波动，提高产品质量；尖头喷嘴有利于降低空气消耗，从而降低生产成本。

实际工业应用中，喷丝板的喷丝孔是略高于气缝的。因此需要在模拟中进行改进，调整模头风道口宽度以及模头喷嘴高度，从而更加真实地模拟熔喷工艺。相关研究表明，在结合能源消耗及加工成本的前提下，模头风道口宽度设计为1.5mm，喷丝孔直径设计为0.2mm、0.3mm较适宜。在喷丝孔直径和风道口参数不变的情况下，气流温度和速度均随着气流喷射角增大而减小；在气流喷射角度和喷丝孔直径不变的情况下，气流温度和速度均随着风道口增大而增大；在气流喷射角度和风道口参数不变的情况下，气流温度和速度均随着喷丝孔直径增大而减小。

利用数值模拟和遗传算法能够对熔喷流场中气槽宽度、气槽角度、气槽间距和喷嘴深度进行优化。气流场对纤维的拉伸作用主要发生在中心线附近，中心面的流场分布情况可以近似代替该区域内的其他平面，而在熔喷模头结构参数优化过程中，可以采用对弦中心面的二维模拟来近似代替三维模拟。相关研究表明，越小的气槽角度及越大的气槽宽度越有利于减缓气流速度和温度的衰减；气槽间距和喷嘴深度对速度和温度的影响不显著。

在模头近端加装导流板，可以有效抑制气流场的扩散。相关实验及CFD 模拟结果显示，通过在流场加装导流板可以有效地延缓气流的扩散及中心轴线上的温度及速度的衰减，流场中心线速度能够明显提高，并可以有效实现对喷射流场扩散的抑制作用。需要注意的是，虽然放置导流板的方法是可行的，但是如何调整最佳工艺，如导流板的长度、间距、距离喷丝孔长度、角度等，仍需在后续的工作中进行展开。

在喷射流场中加入辅助喷嘴，有利于延长气流拉伸过程时间。陈廷课题组在熔喷流场中加入了辅助喷嘴（图22），建立了加装辅助喷嘴的双槽型喷嘴的气体流场的数学模型，聚合物拉伸一维、二维模型等，对组合气体流场和单一气体流场进行了对比（图23），得到了熔喷聚合物拉伸过程中的纤维直径、纤维温度、纤维速度等参数变化情况。并对喷嘴的入口宽度、出口宽度进行了持续的优化，以改善在高速气流作用下，因聚合物纤维进入辅助喷嘴时发生横向运动撞到辅助喷嘴内壁，从而造成的辅助喷嘴区域迅速堵塞的现象。

图22 加入辅助喷嘴的流场速度云图[51]

图23 单一流场示与组合流场的气体速度分布云图[54]

Pourdeyhimi等利用CFD数值模拟研究了不同熔喷辅助喷嘴对熔喷工艺空气流场的影响，如图24 所示，研究了不同宽度、长度和角度的辅助喷嘴对喷射流场的影响。模拟结果表明（图25），宽度为20～30mm、长度为10～20mm 的垂直辅助喷嘴不仅可以提高中心线最大风速，而且可以提高中心线最高温度，从而延长拉伸距离至辅助喷嘴下方10～15mm，以达到获得更小的纤维最终直径的目的。模拟结果也显示出较高的湍流动能，当选用宽度小于10mm、长度大于20mm 的辅助喷嘴时，可能会在纤维网形成过程中造成纤维缠绕。

图24 被模拟的模头几何结构[56]

图25 不同几何结构模头气流场云图[56]

相关研究表明，平头喷嘴喷射流场中会形成一个三角回流区[图26(a)]。该区内的分离涡是典型的流动损失，且其气流速度矢量方向与黏流态聚合物拉伸方向相反，对聚合物拉伸细化其反作用。通过CFD 模拟发现，在双槽熔喷模头喷嘴上同时加装内稳流件和外稳流件时[图26(b)]，可以得到最优速度场，即纺丝中心线上速度最大，可在相同条件下，既降低了聚合物纤维最终直径，又可以节省压缩空气用量，从而降低成本。

图26 不同模头熔喷气流场速度矢量云图[57]

对喷射流场中速度、温度和压强分布规律进行CFD模拟分析，模拟结果如图27所示。喷气孔端面对流场分布有一定影响，若远离流场中心，纺丝线上的速度和温度开始下降，而静压值变化较小；流场中心附近处纺丝线上的速度、温度和压强分布差别很小，靠近喷气孔端面的纺丝线上的温度、速度和静压最低；双槽形模头流场不同位置纺丝线上速度、温度和压强的不同导致制备的熔喷纤维在性能等方面存在差异。喷气孔宽度、喷气孔倾斜角度和喷气孔外端宽度等结构参数对纺丝中心线上速度和温度的影响较大。

图27 xy面上的速度、温度和压强分布[58]（z=50mm）

3.2 纤维最终直径CFD模拟

在我国，熔喷工艺的相关研究起步于2000 年前后。黄秀宝、陈廷考虑了聚合物密度和定压比热容随温度变化时的情况，引入了幂律流体本构方程，对Uyttendaele-Shambaugh 一维模型进行了改进。研究表明，熔喷纤维最终直径随聚合物体积流量增大而增粗，随聚合物初始温度增高而降低，随气流初始速度增高而降低。在文献[8]、[29]、[44]的基础上，王晓梅等利用球-弹簧型分析成网的结构性质，模拟了纤维在拉伸过程中的状态，建立了气流入射角度为60°的平头模头的气流速度和温度沿纺丝中心线分布的经验公式，结合拉伸一维模型可以对纤维的拉伸过程和最后直径进行预测。

相关研究表明，熔喷纤维在流场中的规律如下：①纤维有向外扩散的趋势，其外端逐渐远离纺丝中心线，形态更加弯曲；②随着初始气流速度的增加，纤维垂直离开纺丝线的距离增加，即纤维流所形成楔形的宽度增加；③离模头越近的纤维，其倾角越小，由于此时纤维运动速度较快，故当接收距离较小时，纤维与接收装置表面的垂直程度较大；④聚合物提高气流初始速度会降低聚合物纤维最终直径，但同时会提高聚合物纤维振幅；⑤气体初始温度的变化对聚合物纤维最终直径和聚合物纤维振动频率影响较小。

关于接收距离对熔喷布纤维最终直径影响的问题，经研究发现，纤维最终直径随接收距离变化如图28所示，尤其在30～20cm之间，纤维最终直径受接收距离影响很大。当接收距离小于20cm时，纤维最终直径减小趋势受接收距离影响较平缓；在接收距离为10cm 时，纤维最终直径最小；在接收距离降到8cm时，纤维最终直径又呈增大趋势。

图28 不同接收距离下所纺纤维的SEM图[65]

曾泳春等采用包括气流和聚合物耦合的数值模拟方法，研究了熔体吹制过程中的射流运动。模拟结果给出了模具下20mm×50mm范围内的聚合物射流速度场和射流路径（图29），并采用高速摄影来验证仿真结果（图30）。模型表明，纵向的射流速度远高于横向的射流速度。通过数值分析空气流速、聚合物流速、聚合物黏度对射流速度的影响，发现空气流速的增加会导致聚合物射流平均速度下降，而聚合物流速和聚合物黏度的增加会导致聚合物射流平均速度增加。因此，建议使用较高的空气流量和较低的聚合物流量，并选择黏度较小的聚合物来生产更细的熔喷纤维。

图29 速度场云图[66]

图30 熔喷纤维的扫描电子显微镜图以及实验值和模拟值之间的比较[66]

4 结语

CFD在聚丙烯非织造布熔喷过程中的模头流道分配、喷丝板结构优化、喷射流场模拟等方向得到了广泛的应用，尤其是对喷射流场的优化起到了关键的作用。

在模头流道CFD 模拟研究中，主要结论包括：①衣架型模头的整体性能优于“T”型模头；②黏流态聚合物流动性随衣架型模头成型面高度增高而增高；③当串联型双衣架型模头的拼接位置离模头端部的距离为单个模头宽度的0.625%时，能基本消除拼接处的速度不均匀现象。

在双槽型喷射流场CFD 模拟研究中，主要结论包括：①平头喷嘴有利于减少聚合物受射流影响而导致的波动，提高产品质量；②尖头喷嘴有利于增加射流速度，降低生产成本；③降低喷射角度可以增加流速，但同时也增加了湍流强度；④在两条射流汇合处产生了两个以纺丝中心线对称的雷诺应力最大值区域；⑤湍流强度最大值与喷嘴类型无关，位于两条射流汇合点的中心线上；⑥通常条件下，模头风道口宽度设计为1.5mm，喷丝孔直径设计为0.2mm、0.3mm较适宜；⑦在模头近端加装导流板、辅助喷嘴、导流件等设备可以有效抑制气流场的扩散，延长气流拉伸过程时间，但需注意辅助喷嘴区堵塞等问题；⑧宽度为20～30mm、长度为10～20mm 的垂直辅助喷嘴不仅可以提高中心线最大风速，而且可以提高中心线最高温度，并延长拉伸距离至辅助喷嘴下方10～15mm。

在纤维最终直径CFD 模拟研究中，主要结论包括：①熔喷纤维最终直径随聚合物体积流量增大而增粗，随聚合物初始温度增高而降低，随气流初始速度增高而降低；②熔喷过程中，纤维有向外扩散的趋势，其外端逐渐远离纺丝中心线，形态更加弯曲；③离模头越近的纤维，其倾角越小，纤维运动速度越快；④在接收距离为10cm 左右时，纤维最终直径最小；⑤空气流速的增加会导致聚合物射流平均速度下降，纤维垂直离开纺丝中心线的距离增加；⑥聚合物流速和黏度的增加会导致聚合物射流平均速度增加。

综上所述，熔喷流场中要解决的关键问题是降低聚合物纤维最终直径，提高熔喷布产品质量。在目前的研究中，熔喷过程的CFD 模拟普遍是建立在忽略黏流态聚合物纤维对喷射气流影响的基础上。黏流态聚合物纤维在喷射流场中受高温高速气流影响会产生振动，并由黏流态向玻璃态转化，其对流场的作用是不应被忽视的。因此，应该将研究的注意力由气流向纤维流转变。综上所述，虽然利用CFD 模拟对聚丙烯非织造布熔喷过程建模已得到了广泛的应用，但熔融状态下的聚合物纤维流场模拟仍需要进一步展开研究。因此该领域中仍存在一些关键问题需要在未来的工作中进行攻关。