集聚纺是近十年在传统环锭纺的基础上发展起来的纺纱新技术。集聚纱既保持了环锭纱原有的优点,又显著提升了纱线质量和档次,特别是在纱线毛羽和强度方面,因而该技术在国内外迅速推广。集聚纺的前期研究基本集中在纱线结构对比、纱线性能测试、纺纱工艺优化和纤维内外转移等方面,对集聚机理的研究则相对较少,而通过研究纤维集合体的运动学和动力学模型,深入分析纤维集合体在集聚区的集聚过程,进一步在理论上阐述纤维集合体在集聚区的集聚机理,不仅具有很好的理论意义,更具有应用价值,能够为集聚机构的设计与优化提供依据。本文是基于网格圈负压式集聚纺纱系统进行研究的,主要研究内容包括以下五个方面：(1)直线形集聚斜槽集聚区须条附加捻度的研究首先基于生产实践和课题组前期研究,给定集聚区附加捻度的定义；然后通过高速摄影得到集聚纺集聚区须条的图像,能够表明直线形集聚斜槽集聚区须条存在卷捻现象；接着通过纺纱试验,证实该捻度确实存在且为真捻；在此基础上,提出全新的“半自由端加捻”模型来解释附加捻度的形成机理；并使用非参数核密度估计的方法,考察集聚区浮游纤维的含量；再接着通过对直线形集聚斜槽的运动学分析,建立了集聚区须条的附加捻度模型；最后进行纺纱试验,验证模型的正确性。(2)直线形集聚斜槽集聚区须条的捻回传递和捻度传递长度模型的首先研究直线形集聚斜槽的捻回传递,提出采用附加捻度传递长度来表征集聚效果；其次通过力学分析,建立集聚区附加捻度传递长度的微分方程组模型；接着采用MATLAB编程,模拟计算讨论集聚须条半径、集聚须条与网格圈摩擦因数、集聚管集聚区曲率半径、集聚斜槽倾角和集聚负压与附加捻度传递长度的关系；最后研究集聚槽槽长的理论设计依据。(3)弧线形集聚槽的理论设计与实践首先分析直线形集聚斜槽集聚纺存在的问题；其次设计全新集聚槽形,提出以弧线形替代直线形,可以克服集聚钳口存在纱线运动速度方向突变问题；采用力学分析方法,建立弧线形集聚槽须条的附加捻度微分方程组模型；然后采用四阶龙格-库塔方法,对模型进行数值分析,讨论集聚须条半径、集聚须条与网格圈摩擦因数、集聚管集聚区曲率半径、集聚弧线槽曲率半径和集聚负压对附加捻度的影响；最后设计加工弧线形集聚槽,进行纺纱试验的验证。(4)集聚区气流场分布模型的建立与分析建立集聚区气流场分布的计算流体动力学(CFD)模型。并采用计算流体动力学软件FLUENT对所建立的集聚区气流场计算模型进行数值求解,获得了集聚区内的气流流动特征；研究集聚区气流场分布规律及其对集聚须条作用的影响。(5)集聚纱加捻程度分析与捻系数确定从相同线密度集聚纱与环锭纱的纱线直径存在着明显差异的情况出发,探讨集聚纱的捻回角、捻度与环锭纱存在的差异及其对成纱加捻的影响,并在此基础上,提出集聚纱捻系数选择的依据。通过本文的建模、求解、试验和分析,可得到以下结论：(1)直线形集聚斜槽集聚区须条附加捻度的研究通过高速摄影和纺纱试验证实了集聚纺纱过程中,集聚区须条存在着附加捻度。提出的全新的集聚区须条半自由端加捻模型,能较好地解释附加捻度形成的机理。通过对须条在集聚区的运动学分析,得到直线形集聚槽集聚须条附加捻度的数学模型为：tw=sinβ/2πr,即附加捻度tw与集聚须条的半径r和集聚斜槽倾角β有关。通过不同线密度、不同捻向的纺纱试验,验证了其正确性,并揭示了直线形集聚斜槽向右上倾斜的原因。研究结果还表明直线形集聚槽有一定倾斜角是集聚区须条产生附加捻度的必要条件之一。(2)直线形集聚斜槽集聚区须条的捻回传递和捻度传递长度模型的研究提出了集聚区须条附加捻度传递的概念,并用集聚区须条的附加捻度传递长度对集聚效果进行了表征；采用力学分析的方法,建立了集聚须条附加捻度传递长度的模型,求出的解析解为：(?)表明了捻度传递长度s与集聚须条半径r、集聚须条与网格圈的摩擦因数μ、集聚管集聚区曲率半径R、集聚斜槽倾角β、集聚负压p等有关,还与须条截面纤维根数Nf和纤维的扭转刚度KfGf有关。在此基础上通过MATLAB编程计算,讨论了集聚须条半径r、集聚须条与网格圈之间的摩擦因数μ、集聚管集聚区曲率半径R、集聚斜槽倾角β、集聚负压p和集聚区须条捻度传递长度s的关系。模拟结果表明集聚管集聚区曲率半径R对集聚区须条附加捻度传递长度s影响不大,集聚须条半径r、集聚须条与网格圈之间的摩擦因数μ、集聚斜槽倾角β、集聚负压p对集聚区须条附加捻度传递长度s的影响均较为显著,其中集聚须条半径r与集聚负压p之间还有内在联系,有待进一步研究。通过对15.3tex、9.7tex纯棉集聚纱的MATLAB编程计算,得到其附加捻度传递长度一般在10～22mm左右,并通过试验验证了集聚区须条附加捻度传递长度模型的正确,为直线形集聚槽槽长的设计提供了理论依据。(3)弧线形集聚槽的理论设计与实践根据直线形集聚纺纱集聚钳口处存在纱线运动速度方向突变的问题,提出了弧线形集聚槽设计的思想。通过力学分析建立了弧线形集聚槽集聚须条附加捻度的微分方程组模型,表明附加捻度tw与集聚须条半径r、集聚须条与网格圈摩擦因数μ、集聚负压p、集聚管集聚区曲率半径R、弧线槽曲率半径R1以及集聚管截面形状等有关。通过对该模型的数值模拟计算,讨论了须条集聚半径r、集聚须条与网格圈摩擦因数μ、集聚负压p、集聚管集聚区曲率半径R和弧线槽曲率半径R1对附加捻度的影响。模拟结果表明集聚管集聚区曲率半径R对附加捻度影响不大,其他因素的影响均较为显著。设计加工了弧线形槽集聚管,并进行了纺纱试验。试验结果验证了附加捻度模型的正确性,表明采用弧线形集聚槽纺制的集聚纱质量较好,完全可以应用到生产实践中。(4)集聚区气流场分布模型的建立与分析在集聚纺集聚区内,气流从四周向集聚槽汇聚,在集聚槽的左右两侧,气流以与集聚槽边缘相垂直的方向流向集聚槽；在集聚管的上方,气流从四周向集聚槽汇聚,越接近集聚槽,气流速度越高。气流的这种流动规律使得纤维须条有可能由扁平截面收缩成圆形截面,实现集聚的效果。在集聚区的大部分区域内,气流的静压值较接近外界大气压；在集聚槽附近,气流的静压值迅速降低,形成负压区域,越接近集聚槽的中心和内部,气流的静压值越低。数值模拟结果表明,当直线形集聚斜槽的倾角在较小范围(0°-5.6°)内变化时须条左右两侧受到气流的集聚作用较为相近,使集聚须条大致沿集聚槽中心线输送；而随着集聚槽倾角的进一步增大,须条有向集聚槽右侧靠近的趋势,当须条两端受到握持作用时,这种趋势将会使集聚须条产生绕自身轴线的滚动。集聚区气流对须条施加的压力沿集聚槽的长度方向发生一定的波动,但波动范围并不大,表明在本文第四章、第五章关于集聚须条附加捻度传递长度和附加捻度的理论模型中,将气流对须条施加的压力假设为常量是合理的。直线形集聚槽倾角和集聚槽形状对气流对须条施加的压力的影响不显著,而集聚槽宽度的增加和集聚负压的提高将导致气流对须条施加的压力的提高。(5)集聚纱加捻程度分析与捻系数确定集聚纱与环锭纱的结构有所不同,其加捻程度的表征也是有区别的。环锭纱的捻系数一般不适用于集聚纱。集聚纱内纤维排列紧密,相同线密度的集聚纱与环锭纱相比,体积密度有15～30%的增加,衡量集聚纱加捻的程度需要综合考虑捻回角、捻度和纱线直径的关系。集聚纱捻系数的选择可以根据纱线强力来确定,一般可以比相同线密度环锭纱的捻系数降低10～15%左右。对网格圈负压式集聚纺纱系统而言,纤维集合体与网格圈、机械系统及集聚气流场间的耦合作用比较复杂。本文在以上五个方面的研究工作对集聚机理的研究有一定的推动作用,对进一步优化集聚装置的设计、增强集聚效果、提高集聚纱线的品质和推动集聚纺纱技术的发展有指导作用。