干法纺丝是常用的化学纤维纺丝方法之一。用干法纺丝方法制造的纤维具有结构紧密、物理机械性能好、染色性能好、总体质量高等优点。干法纺丝中,纺丝甬道是溶剂挥发和纤维成形的地方。纺丝甬道中气体的速度分布和温度分布对溶剂的挥发有着直接影响,从而也影响到纺丝过程和纤维结构性能,是重要的工艺参数。也就是说,纺丝甬道中的气体流场对于聚合物拉伸过程中的速度分布、温度分布和浓度分布以及丝条运动都有影响。气流配置不合理,不但会增加能耗,还会在生产过程中造成丝条粘连和断头等问题。如果能对纺丝甬道中的气体流动规律有比较深入的认识,在此基础上建立考虑了纺丝甬道气流分布的基于聚合物与气流耦合的能够预测聚合物横向运动的聚合物拉伸模型,从而对工艺和设备进行必要的调整和改进,那么不仅能够提高产品质量和纺丝稳定性,还能够降低能耗,这将具有很好的理论与实践意义。已有的干法纺丝聚合物拉伸模型都是以纺丝甬道气体流动均匀分布为基础的,即认为纺丝甬道中各个位置的气体速度和气体温度都是相同的。然而,实际生产中纺丝甬道的气流分布并不均匀,不同位置的气体速度和温度存在差异,这将对纤维结构的形成和丝条运动产生影响。实际生产中,由于纺丝甬道中气体配置得不合理,丝条经常会发生振动,从而造成丝条粘连和断头。已有的干法纺丝聚合物拉伸二维模型是轴向径向二维模型,能够给出丝条任意横截面上的温度和溶剂浓度的分布情况,但无法对丝条在垂直于纺程方向(横向)的运动(振动)进行预测。另外,以往模型也没有考虑聚合物(丝条)对气体流动的影响。本文建立了干法纺丝甬道气体流场理论模型,并进行了数值模拟和实验验证,研究了有关结构对气体流场的影响;在此基础上,建立了基于聚合物与气流耦合的能够预测聚合物横向运动的干法纺丝聚合物拉伸二维模型,并进行了数值求解和实验验证,还研究了有关工艺参数对丝条直径和振动的影响。本文研究内容包括四个部分。第一部分是建立了干法纺丝甬道气体流场理论模型,应用有限体积法对气体流场进行了数值模拟。求解过程中应用了全隐式迎风差分格式,通过引入交错网格和SIMPLEST算法解决了压力速度耦合问题,并应用三对角矩阵法对迭代过程中的代数方程进行了求解。利用甬道气体流场理论模型和上述数值方法对某化纤生产企业用于实际生产的干法纺丝甬道中的气体流场进行了数值模拟,得到了纺丝甬道中的气体速度分布和温度分布。为了验证甬道气体流场数值模拟结果的正确性,利用热线风速仪该纺丝甬道中气体流场的速度和温度进行了实验测试。模拟结果与实测结果吻合较好,从而显示了本文所建立的气体流场理论模型及所采用的数值模拟算法可以用于干法纺丝甬道气体流场的预测及纺丝甬道的优化设计。第二部分是利用所建立的纺丝甬道气体流场理论模型,就纺丝甬道有关结构和工艺对甬道气体流场的影响进行了计算机模拟。研究结果表明,喷丝头直径越小,喷丝头长度越大,出口管直径越大,甬道高度越大,甬道长度越小,出口管与纺丝甬道主体以圆弧连接以及采用顺流吹风方式,都有利于纺丝甬道中气体合理分布及减少丝条振动,从而为深入探索干法纺丝中高温气体对聚合物的作用机理和纺丝甬道的优化设计奠定了理论基础。更为重要的是,本文所得到的干法纺丝甬道气体流场的数值模拟结果为干法纺丝聚合物拉伸二维模型的建立和求解奠定了坚实的基础。第三部分是建立基于纺丝甬道气体流场数值模拟的能够预测聚合物横向运动的干法纺丝聚合物拉伸二维模型。首先分析了干法纺丝聚合物拉伸过程的基本规律,介绍了干法纺丝聚合物拉伸一维模型,然后从质量、动量和能量三大守恒定律出发建立了干法纺丝聚合物拉伸二维模型。通过将聚合物划分成若干控制体及对控制体中聚合物小段进行受力分析,推导出了笛卡尔坐标系下干法纺丝聚合物拉伸的基本方程,整理出了常微分方程组形式的干法纺丝聚合物拉伸二维模型,并详细讨论了方程中有关物理量的确定方法,模型中考虑了气体速度和气体温度两个因素。与一维模型不同,聚合物拉伸二维模型中包含了以垂直于纺程方向(横向)的速度和位移为变量的两个基本方程,从而使丝条横向运动的预测得以实现。第四部分是采用单元内颗粒源项法与Runge-Kutta-Gill法相结合的方法实现了聚合物与气流耦合情况下的干法纺丝聚合物拉伸二维模型的数值求解。叙述和讨论了聚合物与气流耦合的聚合物拉伸模型的求解思路,归纳了数值求解的策略,对纺程上丝条的直径、温度和溶剂浓度以及丝条横向振幅和振动频率进行了预测。应用图像处理方法测量了最终纤维直径,将实测结果与预测结果进行了比较,预测结果与实测数据吻合较好,证明所建立的聚合物拉伸二维模型可以用于预测最终纤维直径。利用聚合物拉伸二维模型研究了气体初始速度、气体初始温度以及丝条卷绕速度对拉伸过程中丝条直径、横向振幅和振动频率的影响。研究发现,气体初始速度对丝条振动影响很大,卷绕速度对丝条振动影响也很明显,而气体初始温度则对丝条振动影响不大;丝条直径主要受卷绕速度影响。因此,适当降低气流速度以及卷绕速度,可减少丝条粘连和断头情况的发生。综上所述,本文对干法纺丝甬道气体流场和聚合物拉伸进行了理论建模和数值模拟,模型获得了实验验证,为揭示干法纺丝甬道中高温气体对聚合物的作用机理和解决纺丝过程中存在的丝条粘连和断头等问题提供了理论依据。