摘要： 为减小碳纤维原丝生产工艺中双扩散过程对原液细流进入浴槽凝固成初生纤维的影响，必须保证出丝槽流系统中流场的稳定性.采用时变雷诺方程和标准kε湍流模型，模拟计算不同形状和结构尺寸的喷丝孔外罩对碳纤维出丝槽流系统流域中湍流的影响.利用不同长高比二维矩形钝体模型计算高雷诺数下绕流的情形，对比不同尺寸下尾流内湍流的大小，分析得到较优的结构参数.结果表明，外罩长高比是影响湍流大小的主要因素；长高比增大有利于减弱尾流内的湍流；当长高比接近4时，喷丝口处湍流较小，但长高比再增大，湍流减小程度不明显.
关键词： 碳纤维； 湍流； 绕流； 结构优化； 数值模拟
中图分类号： TQ342.742；TB115.2文献标志码： B
引言
碳纤维等高性能纤维因其特性优异，成为航天航空、军事工业、医疗器械和新能源领域等尖端技术不可缺少的新材料，也成为民用工业更新换代的基础材料.碳纤维的生产工艺复杂、流程多、关键技术多，全过程连续进行，任何一道工序出现问题都会影响生产的稳定和产品的质量，其中，起决定性作用的是原丝的生产.研究[1]表明，90%的碳纤维缺陷都由原丝遗留下来，原丝的生产技术决定碳纤维的发展.因此，提高原丝质量、减少原丝缺陷是制备高性能碳纤维的首要任务.原丝的性能受制备工艺和共聚物单体等各种因素的制约.[2]在导出原丝原液的过程中，喷丝孔的加工粗糙度、凝固浴的温度和浓度等都会在一定程度上影响丝条形成的微观表面形态，并导致其形成不同程度的缺陷.
本文采用数值模拟的方法，分析浴槽内不同形状和结构尺寸的喷丝孔外罩对碳纤维出丝槽流系统流域中湍流的影响.模拟流体绕流不同长高比二维矩形钝体模型的情形，对比不同结构尺寸下尾流内的湍流大小.湍流会对原丝原液细流溶剂和凝固剂分子（水分子）双向扩散过程产生一定的影响.采用生成湍流相对较小的模型，则出丝槽流系统中流场会相对稳定，对原液细流凝固成初生纤维的双扩散过程影响较小，得到的初生纤维结构较均匀、表面较光滑、内部缺陷较少.
1数学模型和边界条件
模型和计算假设：忽略原液流动对流场的影响和计算域液体分子黏性影响，只考虑凝固液的流场.假设凝固浴槽流有足够长时间的发展和流动处于某种相对稳定状态，可看作湍流在流域内充分发展.
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