啮合同向双螺杆挤出机分散混合性能的数值模拟研究

论文摘要

啮合同向双螺杆挤出机在聚合物的共混中得到了广泛的应用，它的螺杆采用积木式结构，即根据不同的混合要求，可以由不同的螺杆元件组合而成，常用的螺杆元件为螺纹元件和捏合盘元件，螺纹元件一般作为输送元件，而捏合盘元件一般作为混合元件，对螺纹元件、捏合盘元件以及由这两种元件组成的螺杆构型进行分散混合性能分析，不仅会对啮合同向双螺杆挤出机的开发设计提供理论上的指导，而且还可以简化实验，辅助设计配方和确定啮合同向双螺杆挤出机的工艺参数，具有重要的实际和理论意义。本文对啮合同向双螺杆挤出机的螺纹元件和捏合盘元件以及由两种螺杆元件组成的三种螺杆构型进行了全三维非牛顿等温流场分析，并编程计算了物料的三维流动路径，计算了停留时间分布、回流距离分布、剪切速率分布、总剪切应变分布和剪切应力分布，并结合液滴和粉体的分散模型，计算了流道出口液滴和粉体的直径分布。 所编写的程序实现了对啮合同向双螺杆挤出机的螺纹元件、捏合盘元件以及由两种元件组成的各种螺杆构型的参数化分析，也即在程序的输入模块中输入螺杆构型的组成形式、螺杆构型各组成元件的几何参数、网格划分控制参数、物性参数、转速和压差等工艺参数、计算三维流动路径所要分析的瞬时模型个数、软件ANSYS的求解控制参数、液滴以及粉体的分散模型参数以及工程所在的目录之后，执行程序就可以自动完成建立工程目录，建立各个瞬时有限元模型、自动对各个瞬时有限元模型调用软件ANSYS进行有限元计算，存储各瞬时模型的速度分布、压力分布和粘度分布，计算三维流动路径，并从三维流动路径计算停留时间分布、回流距离分布、剪切速率分布、总剪切应变分布和剪切应力分布以及计算液滴和粉体的直径分布并存储。该程序如果再加以完善可以形成软件，可用于对啮合同向双螺杆挤出机熔体输送区的分散混合过程进行数值模拟。 在捏合盘元件的分析中，主要分析了转速、压差和流量等工艺参数以及捏合盘元件的错列角、盘片厚度和螺杆与机筒之间的间隙等几何参数对回流量、G值、

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 流场分析
• 1.2.1.1 数学模型
• 1.2.1.2 边界条件
• 1.2.1.3 本构方程
• 1.2.1.4 啮合同向双螺杆挤出机的数值模拟
• 1.2.2 分散相液滴变形和破裂理论
• 1.2.2.1 分散相液滴的变形过程
• 1.2.2.2 分散相液滴的变形机理
• 1.2.2.2.1 圆形液滴变为椭球状液滴
• 1.2.2.2.2 液滴变形为丝状或液柱
• 1.2.2.3 界面张力和粘性力共同作用下液滴的变形和破裂
• 1.2.2.4 粘弹性对分散相液滴变形和破裂的影响
• 1.2.2.5 集聚对分散相液滴变形和破裂的影响
• 1.2.3 啮合同向双螺杆挤出机中共混物混合形态的数值模拟
• 1.2.4 粉体聚集体的分散理论
• 1.2.4.1 粉体聚集体的分散模式
• 1.2.4.2 粉体聚集体的聚集力影响因素及模型研究
• 1.2.4.3 粉体聚集体发生破裂（rupture）分散的机理
• 1.2.4.4 粉体聚集体发生剥蚀（erosion）分散的机理
• 1.2.4.5 关于粉体聚集体的分散数学模型
• 1.2.4.5.1 Coran分散模型
• 1.2.4.5.2 F. Berzin分散模型
• 1.2.4.5.3 T.Lozano分散模型
• 1.2.4.6 关于粉体聚集体的分散数学模型的总结
• 1.3 本课题研究的目的和意义
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 1.5 课题来源
• 第二章 啮合同向双螺杆几何学
• 2.1 常规全啮合同向双螺杆的啮合原理及其曲线的形成
• 2.1.1 啮合原理
• 2.1.2 端面啮合曲线的数学模型
• 2.1.3 螺杆立体图形的数学模型
• 2.1.4 中心距与螺顶角的关系
• 2.1.5 螺杆轴截面上的曲线形状
• 2.1.6 同向旋转双螺杆螺槽深度的计算
• 2.2 关于修正问题的讨论
• 第三章 计算方法及过程
• 3.1 数理模型的建立及流动路径的计算
• 3.1.1 物理模型
• 3.1.2 数学模型
• 3.1.2.1 基本假设
• 3.1.2.2 本构方程
• 3.1.2.3 方程组的建立
• 3.1.2.4 边界条件的确定
• 3.1.3 有限元模型的建立及求解
• 3.1.3.1 坐标系的选择
• 3.1.3.2 单位制的选择
• 3.1.3.3 选择瞬时模型
• 3.1.3.4 划分网格
• 3.1.3.4.1 单元类型的选择
• 3.1.3.4.2 节点的生成
• 3.1.3.4.3 生成单元
• 3.1.3.5 生成ANSYS软件的APDL文件
• 3.1.4 计算物料的三维流动路径
• 3.1.4.1 计算物料微元位置坐标
• 3.1.4.2 判断物料微元所属的单元
• 3.1.4.3 插值计算
• 3.1.4.4 迭代计算
• 3.1.4.5 路径计算的流程图
• 3.1.5 流场参数的计算
• 3.1.5.1 流量、回流量及分布混合判断系数G的计算
• 3.1.5.2 回流距离的计算
• 3.1.5.3 停留时间的计算
• 3.1.5.4 剪切速率、剪切应力以及剪切应变的计算
• 3.1.5.5 “能量”的计算
• 3.2 液滴的分散数学模型
• crit值的计算'>3.2.1 聚合物共混物体系k_crit值的计算
• 3.2.2 分散相液滴变形破裂的判定准则：
• crit＜k＜4k_crit时,破裂后的液滴的直径的计算：'>3.2.3 当k_crit＜k＜4k_crit时,破裂后的液滴的直径的计算：
• crit时,液柱破裂后形成液滴直径的计算'>3.2.4 当k＞4k_crit时,液柱破裂后形成液滴直径的计算
• 3.3 粉体聚集体的分散模型
• 3.3.1 简单剪切流动
• 3.3.2 复杂流动状态
• 3.5 程序结构
• 3.6 停留时间验证
• 第四章 捏合盘元件的混合性能分析
• 4.1 捏合盘元件的几何模型和网格划分
• 4.2 计算结果
• 4.2.1 操作条件的变化对捏合盘元件混合性能的影响
• 4.2.1.1 计算参数
• 4.2.1.2 元件两端压差的影响
• 4.2.1.2.1 元件两端压差对回流量和G的影响
• 4.2.1.2.2 元件两端压差对停留时间分布的影响
• 4.2.1.2.3 元件两端压差对回流距离分布的影响
• 4.2.1.2.4 元件两端压差对剪切速率分布的影响
• 4.2.1.2.5 元件两端压差对剪切应变分布的影响
• 4.2.1.2.6 元件两端压差对剪切应力分布的影响
• 4.2.1.2.7 元件两端压差对“能量”分布的影响
• 4.2.1.2.8 元件两端压差对元件出口液滴直径分布的影响
• 4.2.1.2.9 元件两端压差对元件出口粉体聚集体直径分布的影响
• 4.2.1.3 相同流量下的转速变化影响
• 4.2.1.3.1 相同流量下转速变化对回流量和G的影响
• 4.2.1.3.2 相同流量下转速变化对停留时间分布的影响
• 4.2.1.3.3 相同流量下转速变化对回流距离分布的影响
• 4.2.1.3.4 相同流量下转速变化对剪切速率分布的影响
• 4.2.1.3.5 相同流量下转速变化对剪切应变分布的影响
• 4.2.1.3.6 相同流量下转速变化对剪切应力分布的影响
• 4.2.1.3.7 相同流量下转速变化对“能量”分布的影响
• 4.2.1.3.8 相同流量下转速变化对元件出口液滴直径分布的影响
• 4.2.1.3.9 相同流量下转速变化对元件出口粉体聚集体直径分布的影响
• 4.2.1.4 相同压差下的转速变化影响
• 4.2.1.4.1 相同压差下转速变化对回流量和G的影响
• 4.2.1.4.2 相同压差下转速变化对停留时间分布的影响
• 4.2.1.4.3 相同压差下转速变化对回流距离分布的影响
• 4.2.1.4.4 相同压差下转速变化对剪切速率分布的影响
• 4.2.1.4.5 相同压差下转速变化对剪切应变分布的影响
• 4.2.1.4.6 相同压差下转速变化对剪切应力分布的影响
• 4.2.1.4.7 相同压差下转速变化对“能量”分布的影响
• 4.2.1.4.8 相同压差下转速变化对液滴直径分布的影响
• 4.2.1.4.9 相同压差下转速变化对粉体聚集体直径分布的影响
• 4.2.2 几何参数的变化对捏合盘元件混合性能的影响
• 4.2.2.1 错列角的影响
• 4.2.2.1.1 错列角对回流量和G的影响
• 4.2.2.1.2 错列角对停留时间的影响
• 4.2.2.1.3 错列角对回流距离的影响
• 4.2.2.1.4 错列角对剪切速率的影响
• 4.2.2.1.5 错列角对剪切应变的影响
• 4.2.2.1.6 错列角对剪切应力的影响
• 4.2.2.1.7 错列角对“能量”的影响
• 4.2.2.1.8 错列角对液滴直径分布的影响
• 4.2.2.1.9 错列角对粉体聚集体直径分布的影响
• 4.2.2.2 螺杆和机筒之间间隙的影响
• 4.2.2.2.1 螺杆和机筒之间间隙对回流量和G的影响
• 4.2.2.2.2 螺杆和机筒之间间隙对停留时间分布的影响
• 4.2.2.2.3 螺杆和机筒之间间隙对回流距离分布的影响
• 4.2.2.2.4 螺杆和机筒之间间隙对剪切速率分布的影响
• 4.2.2.2.5 螺杆和机筒之间间隙对剪切应变分布的影响
• 4.2.2.2.6 螺杆和机筒之间间隙对剪切应力分布的影响
• 4.2.2.2.7 螺杆和机筒之间间隙对液滴直径分布的影响
• 4.2.2.2.8 螺杆和机筒之间间隙对粉体直径分布的影响
• 4.2.2.3 捏合盘盘片厚度的影响
• 4.2.2.3.1 捏合盘盘片厚度对回流量和G的影响
• 4.2.2.3.2 捏合盘盘片厚度对停留时间分布的影响
• 4.2.2.3.3 捏合盘盘片厚度对回流距离分布的影响
• 4.2.2.3.4 捏合盘盘片厚度对剪切速率分布的影响
• 4.2.2.3.5 捏合盘盘片厚度对剪切应变分布的影响
• 4.2.2.3.6 捏合盘盘片厚度对剪切应力分布的影响
• 4.2.2.3.7 捏合盘盘片厚度对“能量”分布的影响
• 4.2.2.3.8 捏合盘盘片厚度对液滴直径分布的影响
• 4.2.2.3.9 捏合盘盘片厚度对粉体直径分布的影响
• 4.3 小结
• 第五章 捏合盘元件与螺纹元件的比较
• 5.1 螺纹元件的几何模型和网格划分
• 5.2 分析结果
• 5.2.1 两种元件的计算参数
• 5.2.2 计算结果与分析
• 5.2.2.1 回流量与G
• 5.2.2.2 停留时间分布
• 5.2.2.3 回流距离分布
• 5.2.2.4 剪切速率分布
• 5.2.2.5 剪切应变分布
• 5.2.2.6 剪切应力分布
• 5.2.2.7 液滴直径分布
• 5.2.2.8 粉体直径分布
• 5.3 小结
• 第六章 螺杆构型的模拟
• 6.1 螺杆构型的几何模型和网格划分
• 6.2 分析结果
• 6.2.1 计算参数
• 6.2.2 计算结果与分析
• 6.2.2.1 流量、回流量与G
• 6.2.2.2 三种螺杆构型粘度、剪切速率和剪切应力平均值的比较
• 6.2.2.3 三种螺杆构型轴向压力变化
• 6.2.2.4 三种螺杆构型粘度、剪切速率和剪切应变沿轴向的变化
• 6.2.2.5 液滴直径和粉体直径分布
• 6.3 小结
• 第七章 总结
• 7.1 主要成果及结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者简介