本文对熔喷非织造工艺中聚合物流体从衣架型模头入口到喷丝板出口整个流程中的流动进行了三维数值模拟,在此基础上对熔喷模头设计中的几个问题进行了研究。主要工作涉及以下五个方面:以歧管线性渐细规律的衣架型模头为对象,对流体在模头内的流动进行了三维有限元数值模拟,并对数值模拟方法的有效性进行了实验验证;以出口流率分布均匀为目标,以衣架型模头主要设计参数为目标变量,应用进化策略分别对两种不同歧管渐细规律的衣架型模头进行了优化设计;在衣架型模头内流体流动的数值模拟基础上,分析了模头内流体滞流现象的成因及影响因素,并给出了改善方法;以衣架型模头的出口速度分布作为喷丝板的入口条件,对从衣架型模头出口到喷丝板出口这一区域内流体的流动进行了数值模拟,并讨论了不同的喷丝孔参数组合对各喷丝孔出口处流率分布的影响,且得出了在较优的参数组合条件下各喷丝孔出口处的流率分布均匀性可以优于衣架型模头出口处流率分布均匀性的结果:最后,对熔喷非织造模头的宽幅化设计进行了初步研究,主要是讨论了通过多个衣架型模头串连拼接为组合模头来实现模头宽幅化这一技术途径理论上的可行性,以及在保证组合模头横向流率分布均匀性的前提下,各模头应遵循的拼接条件。全文共分八章。第一章对国内外与本文研究领域相关的主要文献进行了综述。第二章主要介绍了衣架型模头内流体流动的三维有限元数值模拟。为便于实验验证,模拟对象采用歧管简单线性渐细的衣架型模头,模拟时流体采用1%CMC水溶液,其流变参数由高级旋转流变系统(ARES-RFS)来测定。模拟结果得到了流体在模头内的流动向量图以及模头内的速度分布。通过观察模头中心平面上的流体流动向量图,发现歧管中的流体并非全部沿歧管轴向流动,流体从歧管过渡到狭缝时,其流动方向也并不完全沿模头纵向,这与一维解析设计中的假设条件是不相符的。从成型面上的流体流动速度向量大小看出,在整个模头宽度上,流体速度呈中间低两端高的分布趋势,且这种趋势一直保持到模头出口处。另外,模头出口处的速度分布曲线还反映出壁面无滑移条件的影响,尽管模头内是呈中间低两端高的速度分布趋势,但近壁面处的流体速度还是很低。文中还对一维解析设计线性渐细歧管衣架型模头内的流体流动进行了三维有限元数值模拟,模拟结果显示,模头出口处的速度分布较歧管简单线性渐细衣架型模头均匀得多。第三章利用粒子图像测速仪对第二章歧管简单线性渐细衣架型模头内流体流动的数值模拟结果进行了实验验证。通过衣架型模头中心平面上的流动向量图来对比流体在模头内的流动情况发现,模拟结果与实验结果吻合较好;而通过中心平面出口处的速度分布对比发现,二者也非常接近,CV%值分别为21.3228%和23.8308%。模拟结果和实验结果的吻合程度说明了本文所采用的数值模拟方法是有效的。第四章分别对歧管简单线性渐细和歧管基于一维解析设计线性渐细的两个不同衣架型模头进行了优化设计。文中以模头中心平面出口处流率分布的变异系数CV%值为目标函数,以模头的狭缝宽度和歧管角度为目标变量,应用进化策略对目标变量进行搜索寻优。针对搜索到的目标变量值,通过数值模拟计算其对应的目标函数值,如此不断地寻优、模拟和计算,直到达到规定的终止条件,最后以最小的目标函数值和其所对应的目标变量值作为最优结果。对上述两种模头的优化结果,就歧管简单线性渐细的模头而言,其出口处宽度方向上的流率分布CV%值从22.0586%降到了1.772%,降幅很大;而歧管基于一维解析线性渐细设计的模头,其优化结果更好,CV%值从2.9501%降低到了0.9465%,只是降幅没有前者大。这是由于基于一维解析设计的歧管线性渐细模头其原来宽度方向上的流率分布就优于前者。优化结果说明本文所建立的优化设计方法是可行有效的。除了衣架型模头出口处速度分布的不匀会影响产品的质量外,由于模头内流体流动时各点的速度不同,特别是那些速度很低的区域内产生的滞流现象同样会对属于高聚物的熔喷非织造产品的质量产生不良影响。因此,本文第五章以优化后的一维解析设计歧管线性渐细衣架型模头为对象,在流体流动数值模拟的基础上,对模头内的滞流现象进行了分析和讨论。通过考察模头出口面上的流体在模头内的经历时间发现,在平均经历时间0.47s以下的区域约占整个出口面的67%,主要分布在靠近模头中心平面和对称面处,模头端部且靠近壁面处是出口面上流体经历时间最长的区域,在3.60s～7.19s之间,但这部分区域很小,约占整个出口面的0.28%。其它经历时间相对较长的区域在0.47s～3.60s之间,主要分布在靠近壁面以及模头端部靠近中心面的地方,约占出口面的32.72%。结合模头内流体流动的三维速度分布进一步分析得出,流体在模头内的滞流现象是由流体流动时在模头壁面附近存在一个慢速区所致,慢速区的大小直接影响滞流的程度。为讨论影响滞流现象的因素,本章对滞流区进行了定义,通过对比滞流区的大小发现模头的设计参数,如歧管角度和狭缝宽度,以及聚合物流体的非牛顿性对滞流区的大小都有一定影响。此外,通过对比滞流区大小和出口面上的流体经历时间发现,歧管截面为泪滴形的衣架型模头内流体的滞流现象要轻于歧管截面为圆形的衣架型模头。在熔喷工艺中,流体在经过衣架型模头的分配后,还要流经喷丝板,通过喷丝板上的喷丝孔来转变成流体细流。因此,各喷丝孔出口处流体流率分布的均匀性才最终影响熔喷产品的横向均匀度。为此,本文第六章以优化后的一维解析设计歧管线性渐细衣架型模头作为喷丝板的前置部件,用它的出口速度分布作为喷丝板的入口条件,对流体在喷丝板内的流动进行了数值模拟。模拟结果显示,流体在流经喷丝板后,由于喷丝孔的影响,喷丝板出口处的速度分布呈现微小波动状态,CV%值也由入口时的0.9465%升高到了1.8140%。为此,本文第六章进而就不同喷丝孔参数的组合对各喷丝孔出口处的速度分布影响进行了研究。文中对3种喷丝孔直径和3种喷丝孔密度的两两组合,共9个方案进行了流体流经喷丝板的数值模拟。结果发现,不同喷丝孔直径和喷丝孔密度的组合对各喷丝孔出口处的速度分布具有不同的影响。在讨论的9个方案中,方案4为最佳,其喷丝孔直径为0.3mm,喷丝孔密度为12孔/厘米。流体在流经此参数组合的喷丝板后,各喷丝孔出口处的速度波动最小,速度分布CV%值也最小,为0.6518%,且小于入口处的速度分布CV%值0.9465%。第七章对熔喷非织造装备衣架型模头宽幅化的技术问题进行了讨论。在模头的其它条件不变的情况下,由于模头的高度、狭缝的变形、模头出口处流率分布的不均匀性等均会随着模头宽度的增大而增大。因此,通过单纯增加模头宽度来实现模头宽幅化不是理想的技术途径。然而,通过多个小宽度衣架型模头串连拼接以形成组合模头来实现模头宽幅化将有可能解决上述单个衣架型模头在宽度增大后的弊端。文中用两个优化后的小宽度衣架型模头进行了串连拼接,拼接后的组合模头有两个入口,一个出口,拼接处无壁面阻隔,整个模头融为一体。通过对流体在组合模头内的流动进行数值模拟发现,组合模头继承了单个衣架型模头对流体的分配特性,但在拼接处附近一小块区域存在明显的局部速度不匀,从而影响组合模头整体宽度上流率分布的均匀性。通过调整拼接位置发现,在两个模头相邻端部不同位置拼接时,组合模头拼接处的速度分布不同。随着拼接位置离模头端部距离的增大,组合模头拼接处的速度分布会由下凹状逐渐变为上凸状。文中通过二分法对拼接位置进行多次调整得出,当拼接位置离模头端部的距离为单个模头整个宽度的0.625%时,能基本消除拼接处的速度不匀。此时组合模头出口处宽度方向上速度分布CV%值为0.782%,低于单个衣架型模头的速度分布CV%值0.9465%。由此说明,用多个小宽度模头在恰当位置进行串连拼接以形成组合模头来实现熔喷非织造模头的宽幅化是一条可行的技术途径。第八章是全文的总结与展望。对本文的主要研究成果,本文研究工作的主要不足以及所涉及的相关领域的进一步研究方向一一进行了叙述。