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熔喷是一种工业上用于生产微米级纤维非织造布的技术，熔喷纤维的直径决定了非织造布的质量，如果熔喷纤维的直径可以降低到纳米尺度，那么产品的性能将会获得质的飞跃。为了实现这一目标，研究者针对熔喷气流场与纤维成型过程，进行了大量的模拟与实验的研究工作。本文对熔喷过程中的聚合物射流进行了模拟与实验研究，通过基于水平集方法的熔喷聚合物射流/气流的双向耦合模型，模拟了聚合物射流在熔喷气流场中的运动，并且使用高速摄影仪对模拟结果进行了验证，解决了熔喷聚合物射流运动模型中双向耦合的问题；使用经过验证的耦合模型，探讨了聚合物射流运动的影响因素；使用CFD技术模拟了熔喷过程中聚合物射流由表面张力驱动的破裂过程，探讨了相关参数对这一过程的影响。通过在喷嘴下增设具有加热功能的保温装置，来延缓气流场的温度衰减，使用CFD模拟探讨了装置对气流场的作用机理，为降低熔喷纤维直径提供了一种新的方法；本论文总共分为六章。
第一章总结了过去三十年间关于熔喷气流场和纤维成型过程的研究成果。其中包括不同喷嘴（狭槽喷嘴、环形喷嘴、螺旋喷嘴）的气流场的实验与模拟工作；喷嘴结构的改造与优化设计；纤维运动、直径、温度、形态的实验测量；纤维成型过程以及铺网过程的模拟。分析了现有研究的不足，在此基础上提出本文的研究内容与研究意义。
第二章使用Comsol Multiphysics的水平集方法，建立了关于熔喷过程中聚合物射流/气流的双向耦合模型。在空间上，模型属于二维，气流和聚合物射流都作为牛顿流体来处理。模拟结果中聚合物射流的运动形态与实际相符，在喷嘴附近区域近似于直线，在离喷嘴稍远的区域聚合物射流出现鞭动。根据模型预测的聚合物射流速度，对最终产品的纤维直径进行了预测。使用高速摄影技术拍摄聚合物射流的运动图像，对模型预测的纵向速度，横向速度，鞭动振幅进行了验证，预测值与实验值的数值波动范围一致。使用扫描电镜观测了纤维的直径的平均值，发现与预测值在同一数量级。
第三章使用耦合模型研究了熔喷的喷嘴结构参数、工艺参数以及聚合物性质对聚合物射流速度的影响。模拟结果表明喷嘴三角头端宽度和气道夹角对射流速度会产生影响，但是影响作用并不规律。在其他条件相同的情况下，三角头端宽度为0.65mm时，聚合物射流速度要高于其他三种三角头端宽度。在其他条件相同的情况下，气道夹角为45°时，产生的聚合物射流速度要高于其他六组角度。尖型喷嘴的射流速度要高于钝型喷嘴，喷嘴三角头端内收型喷嘴（inset die）要高于三角头端与气道挡板齐平的喷嘴（flush die），三角头端与气道挡板齐平的喷嘴射流速度要高于外凸型喷嘴（outset die）。聚合物射流的y轴方向速度与x轴方向速度都随着拉伸气流流量的增加、聚合物流量的减小，聚合物粘度的减小而增加。聚合物的表面张力对射流速度的影响不明显。
第四章使用水平集方法模拟了熔喷过程中聚合物射流由表面张力驱动的瑞利不稳定性，对聚合物射流的瑞利不稳定性发展过程进行了动态展示,分析了射流的破裂机理。使用实验探讨了聚合物的熔融指数、加工温度、气流流量对射流瑞利不稳定性的影响。发现随着聚合物熔融指数的增加、气流流量的增加以及加工温度的增加，聚合物射流的瑞利不稳定性的出现几率随之升高。使用CFD技术分析了聚合物射流的粘度、直径、表面张力以及初始扰动幅度对射流瑞利不稳定性发展过程的影响。模拟结果表明随着聚合物射流粘度的减小、直径的减小，表面张力的增加以及初始扰动的增加，聚合物射流瑞利不稳定性的发展越来越容易。
第五章从温度角度来改善气流场，方法是在狭槽喷嘴下安装具有加热功能的保温管，以此来延缓气流场的温度衰减速度，增加聚合物射流的牵伸。实验证明，这种方法可以增加聚合物射流的牵伸率，从而获得更加细的纤维，但是同时会降低纤维直径的均匀度。使用CFD技术研究了保温管的作用机理，发现保温管可以增加射流牵伸区域气流场的温度、速度以及湍动能。因此纤维的直径在变细的同时，不匀率上升。使用CFD技术研究了保温管的长度、宽度对气流场的影响，发现随着保温管长度的增加和宽度的减小，聚合物射流拉伸区域内的气流场中心线速度、温度以及湍动能随之增加。
第六章总结了本论文的结论，分析了本论文的不足并对下一步的研究工作做出展望。
第一章总结了过去三十年间关于熔喷气流场和纤维成型过程的研究成果。其中包括不同喷嘴（狭槽喷嘴、环形喷嘴、螺旋喷嘴）的气流场的实验与模拟工作；喷嘴结构的改造与优化设计；纤维运动、直径、温度、形态的实验测量；纤维成型过程以及铺网过程的模拟。分析了现有研究的不足，在此基础上提出本文的研究内容与研究意义。
第二章使用Comsol Multiphysics的水平集方法，建立了关于熔喷过程中聚合物射流/气流的双向耦合模型。在空间上，模型属于二维，气流和聚合物射流都作为牛顿流体来处理。模拟结果中聚合物射流的运动形态与实际相符，在喷嘴附近区域近似于直线，在离喷嘴稍远的区域聚合物射流出现鞭动。根据模型预测的聚合物射流速度，对最终产品的纤维直径进行了预测。使用高速摄影技术拍摄聚合物射流的运动图像，对模型预测的纵向速度，横向速度，鞭动振幅进行了验证，预测值与实验值的数值波动范围一致。使用扫描电镜观测了纤维的直径的平均值，发现与预测值在同一数量级。
第三章使用耦合模型研究了熔喷的喷嘴结构参数、工艺参数以及聚合物性质对聚合物射流速度的影响。模拟结果表明喷嘴三角头端宽度和气道夹角对射流速度会产生影响，但是影响作用并不规律。在其他条件相同的情况下，三角头端宽度为0.65mm时，聚合物射流速度要高于其他三种三角头端宽度。在其他条件相同的情况下，气道夹角为45°时，产生的聚合物射流速度要高于其他六组角度。尖型喷嘴的射流速度要高于钝型喷嘴，喷嘴三角头端内收型喷嘴（inset die）要高于三角头端与气道挡板齐平的喷嘴（flush die），三角头端与气道挡板齐平的喷嘴射流速度要高于外凸型喷嘴（outset die）。聚合物射流的y轴方向速度与x轴方向速度都随着拉伸气流流量的增加、聚合物流量的减小，聚合物粘度的减小而增加。聚合物的表面张力对射流速度的影响不明显。
第四章使用水平集方法模拟了熔喷过程中聚合物射流由表面张力驱动的瑞利不稳定性，对聚合物射流的瑞利不稳定性发展过程进行了动态展示,分析了射流的破裂机理。使用实验探讨了聚合物的熔融指数、加工温度、气流流量对射流瑞利不稳定性的影响。发现随着聚合物熔融指数的增加、气流流量的增加以及加工温度的增加，聚合物射流的瑞利不稳定性的出现几率随之升高。使用CFD技术分析了聚合物射流的粘度、直径、表面张力以及初始扰动幅度对射流瑞利不稳定性发展过程的影响。模拟结果表明随着聚合物射流粘度的减小、直径的减小，表面张力的增加以及初始扰动的增加，聚合物射流瑞利不稳定性的发展越来越容易。
第五章从温度角度来改善气流场，方法是在狭槽喷嘴下安装具有加热功能的保温管，以此来延缓气流场的温度衰减速度，增加聚合物射流的牵伸。实验证明，这种方法可以增加聚合物射流的牵伸率，从而获得更加细的纤维，但是同时会降低纤维直径的均匀度。使用CFD技术研究了保温管的作用机理，发现保温管可以增加射流牵伸区域气流场的温度、速度以及湍动能。因此纤维的直径在变细的同时，不匀率上升。使用CFD技术研究了保温管的长度、宽度对气流场的影响，发现随着保温管长度的增加和宽度的减小，聚合物射流拉伸区域内的气流场中心线速度、温度以及湍动能随之增加。
第六章总结了本论文的结论，分析了本论文的不足并对下一步的研究工作做出展望。