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静电纺丝射流纺程形态的数值模拟及实验拟合

作　者: 张健宗
导　师: 覃小红
学　校: 东华大学
专　业: 纺织材料与纺织品设计
关键词: 静电纺丝数值模拟 CFD软件 Polyflow Fluent
分类号: TQ340.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 73次
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内容摘要

静电纺丝是建立在电场基础上的一种新型自由端纺丝法。根据Darrell H. Reneker教授的解释,静电纺丝是利用电场力的牵伸生产出直径范围在50纳米左右任意长度的纳米纤维。其基本工艺是将聚合物溶液或熔体带上几千至几万伏高压静电,在电场的作用下带电的聚合物在毛细管的泰勒锥顶点被加速,电场力克服溶液的表面张力,最终形成喷射细流,聚合物在喷射过程中蒸发或固化,最终落在接收装置上,形成类似非织造布的纤维毡。当前,静电纺丝已经成为纳米纤维的主要制备方法之一。要生产质量优良的纳米纤维,关键在于弄清静电纺丝的成丝机理。射流在理论上分为三个部分(直线段,转换区域及不稳定段),各段的成型机理不一,因此模拟也先由简化条件后分段模拟再进行加载电场整体模拟。本文通过从电场、流场和力场三个方面去分析对射流运动形态的影响,以及基于分析的理论去进行CFD软件模拟。流体力学作为力学的一个分支,在很多领域有着广泛的应用。静电纺丝中高聚物射流属于流体,它的运动规律十分复杂,涉及到流体力学的不同方面,而且静电纺过程存在多个未知参数,分析难度大,因此要想用常规的数学解析方法研究静电纺射流的运动并不可取,而计算流体动力学(简称CFD)则适用于流体的研究。POLYFLOW是基于有限元法的计算流体动力学软件,专用于粘弹性材料的流动模拟,集成当今最新,最完善的运算法则。模拟软件Fluent为通用CFD软件包,用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。本文运用POLYFLOW模拟了不同电场力的牵伸条件下,纺程中稳定段射流的运动状态,并对模拟结果进行了分析、讨论和实验验证；而软件Fluent用于模拟静电纺丝的不稳定段以及整体,并且在加载电场模块后观察场强的分布及对射流形态的影响。而后通过高速拍摄技术来截取射流运动静态图,从而与模拟实验对比来诠释射流运动中的规律现象。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
1 引言  11-21
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 静电纺丝的国内外研究现状  12-16
  1.3 研究目标、研究内容、研究意义和创新点  16-21
2 静电纺丝射流相关原理及模拟简介  21-35
  2.1 静电纺丝射流的组成部分  21-24
  2.2 静电纺丝射流原理  24-28
  2.3 模拟基础  28-33
  2.4 本章小结  33-35
3 静电纺稳定段射流的模拟  35-49
  3.1 模拟实验原理  35-38
  3.2 模拟建模及模拟过程  38-47
  3.3 模拟总结及讨论  47-49
4 静电纺不稳定段射流的模拟  49-53
  4.1 静电纺射流不稳定段的理论分析  49
  4.2 模拟建模及模拟过程  49-50
  4.3 模拟结果及讨论  50-52
  4.4 本章结论  52-53
5 静电纺射流整体的模拟  53-70
  5.1 纯电场模拟  53-57
  5.2 流场和电场整体模拟  57-59
  5.3 实验拟合  59-61
  5.4 实验  61-66
  5.5 实验中射流形态分析  66-69
  5.6 实验讨论与总结  69-70
6 总结和展望  70-73
  6.1 研究结论  70-71
  6.2 课题展望  71-73
参考文献  73-76
附录学习期间发表论文  76-77
致谢  77

静电纺丝射流纺程形态的数值模拟及实验拟合

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