密炼机混炼过程中流场和温度场的三维有限元模拟及实验分析

论文摘要

在聚合物混炼设备中,密炼机是应用最为广泛的间歇式混炼设备。为了更好地提高密炼机的混炼效率和炼胶质量,使人们更加清楚地掌握混炼过程、混炼机理以及密炼室内胶料流场和温度场的变化情况,人们开始运用有限元等相关软件对此进行模拟计算。本文利用ADINA有限元软件对密炼机的三维流场和温度场进行了有益的探讨。本文建立了胶料流场的三维模型和同步转子以及密炼室的三维有限元模型,对完全充满状态下包含不同转子构型的胶料流场进行了三维等温、非牛顿模拟计算,对得到速度场、压力场和粘度场等云图进行了分析,从而得出转子在混炼过程中的应力和应变变化状态。同时,本文还对同步四棱转子三维温度场和密炼室三维温度场的分布进行了分析,通过对温度场的模拟,得出了胶料各个瞬时的温度以及密炼室不同部位的温度变化情况,对密炼室各部分传热性能有了更进一步地了解。通过对密炼机流场和温度场的分析,可以得到以下结论:1.通过流场横截面剪切应力场的分析,可以得到在转子棱的顶部间隙、楔形区域和切向间隙内均存在着有利于分散的高剪切区。2.通过对两转子流场啮合区域截面上的压力场和速度矢量场的分析,直观地得出了在啮合区同步四棱转子的混合能力和效率要高于同步二棱转子。3.通过对0O-900排列的同步四棱转子粒子场的分析,得出胶料在整个混炼区域做8字型流动。在不考虑胶料被剪切以及高弹性的情况下,单单考虑流动混合性,这种排列方式要优于00-00的情况。但是总体来考虑,00-00转子排列方式的炼胶能力要强于0O-900的排列方式。4.通过对同步四棱转子三维温度场有限元分析的结果,可以看到强制冷却所起到的明显效果。5.混炼过程的温度场是随时间变化的,在一个混炼周期内几乎成线性上升。炼胶初期温度变化缓慢,炼胶中期温度上升较快,在炼胶后期温度上升最快。首次使用非线性功率加载方式,模拟得出的胶料温度更加接近实验结果。最后本文对密炼室的三维温度场进行了一系列的实验测试,实验结果表明用有限元软件ADINA模拟同步转子密炼室温度场的方法是可行的,得到的结果可靠。关于流场的模拟实验还需要进一步改进设备而进行验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 密炼机的发展概况及转子构型
• 1.1.1 密炼机的发展概况
• 1.1.2 密炼机转子构型概述
• 1.1.2.1 剪切型转子
• 1.1.2.2 啮合型转子
• 1.1.2.3 三角形转子
• 1.1.2.4 青岛化工学院研发的转子构型
• 1.1.2.5 目前国际上通用的转子构型
• 1.2 橡胶在混炼过程中主要的形态及胶料在转子上的运动机理
• 1.2.1 橡胶在混炼过程中主要的形态
• 1.2.2 胶料在转子上的运动机理
• 1.2.2.1 胶料在同步四棱转子上的流动机理
• 1.2.2.2 胶料在异步四棱转子上的流动机理
• 1.3 有限元分析与可视化研究
• 1.3.1 有限元分析
• 1.3.2 可视化研究
• 1.3.2.1 流动可视化发展概述
• 1.3.2.2 计算机流动可视化研究发展概述
• 1.4 密炼机混炼过程的模拟
• 1.4.1 密炼机混炼过程模拟的前沿动态
• 1.4.2 国外聚合物加工模拟及有限元软件的开发概况
• 1.4.3 计算机模拟软件近些年来的发展和转变
• 1.5 本课题国内外研究动态和水平
• 1.5.1 国外的研究动态和水平
• 1.5.2 国内的研究动态和水平
• 1.5.3 本课题研究所应用的软件
• 1.5.3.1 ADINA 有限元分析软件简介
• 1.5.3.2 ADINA 有限元分析软件主要特点
• 1.6 本课题的研究意义、内容及存在的主要问题
• 1.6.1 研究意义
• 1.6.2 研究内容
• 1.6.3 密炼机模拟存在的主要问题
• 第二章 同步转子密炼机的三维流场分析
• 2.1 流场分析的计算方法与思路
• 2.1.1 流场分析的计算方法
• 2.1.2 流场分析的计算思路
• 2.2 模型的建立
• 2.2.1 物理模型
• 2.2.2 数学模型
• 2.2.2.1 基本假设
• 2.2.2.2 数学方程
• 2.2.2.3 本构方程
• 2.3 有限元模型和边界条件
• 2.3.1 有限元模型
• 2.3.2 边界条件
• 2.3.2.1 速度边界条件
• 2.3.2.2 压力边界条件
• 2.3.2.3 单位制的选择
• 2.4 模拟结果及讨论
• 2.4.1 压力场
• 2.4.2 速度场
• 2.4.2.1 速度矢量图
• 2.4.2.2 轴向速度场
• 2.4.3 粘度场
• 2.4.4 剪切应力场
• 2.4.5 体积流量流场
• o-90^o相位角排列时的流场分析'>2.5 同步四棱转子 0^o-90^o相位角排列时的流场分析
• 2.5.1 同步四棱转子0°-90°相位角排列时的粒子流分布情况
• 2.5.2 速度场和压力场
• 2.5.3 粘度场
• 2.6 本章小结
• 第三章 密炼机同步四棱转子的三维温度场分析
• 3.1 温度场分析概述
• 3.1.1 温度场分析的必要性
• 3.1.2 转子的强制冷却
• 3.1.3 温度场分析的方法
• 3.2 数理模型
• 3.2.1 物理模型
• 3.2.2 数学模型
• 3.2.3 基本假设
• 3.3 有限元模型和边界条件
• 3.3.1 有限元模型
• 3.3.2 边界条件
• 3.3.2.1 转子内壁处的换热系数的确定
• 3.3.2.2 转子外壁处的换热系数的确定
• 3.3.2.3 定义材料特性
• 3.3.2.4 载荷加载
• 3.4 模拟结果及讨论
• 3.4.1 温度场
• 3.4.2 热流量场
• 3.5 结论
• 第四章 密炼室三维温度场分析
• 4.1 模型的建立
• 4.1.1 混炼过程中密炼室内胶料温度场的物理模型
• 4.1.2 混炼过程中密炼室内胶料温度场的数学模型
• 4.1.2.1 能量守恒关系式
• 4.1.2.2 温度场数学表达式
• 4.1.2.3 求解过程
• 4.1.3 有限元模型的建立
• 4.1.3.1 单位制的选择
• 4.1.3.2 网格划分
• 4.2 边界条件和初始条件的确定
• 4.2.1 边界条件类型的确定
• 4.2.2 冷却水孔与冷却水的对流换热系数
• 4.2.3 胶料与转子表面及密炼室内壁的对流换热系数
• 4.2.4 热载荷、材料及配方的热物理参数的确定
• 4.3 模拟结果及讨论
• 4.3.1 温度场分布
• 4.3.2 热流量场
• 4.3.3 温度曲线
• 4.3.4 温度数据
• 4.4 结论
• 第五章 实验研究
• 5.1 实验平台介绍
• 5.1.1 实验平台及其主要性能参数
• 5.1.2 温度测量仪器的选择
• 5.1.2.1 探针式温度计
• 5.1.2.2 热电偶温度计
• 5.2 工艺条件
• 5.2.1 生胶塑炼条件及工艺方法
• 5.2.2 混炼工艺加料顺序
• 5.3 实验方案
• 5.3.1 传感器的安装
• 5.3.2 实验数据的测量
• 5.4 流场分析的实验
• 5.5 本章小结
• 第六章 理论模拟与实验结果的比较及分析
• 6.1 混炼过程中温度的实验值分析
• 6.2 混炼过程中温度的实验值与有限元分析值的对比分析
• 6.2.1 温度分析对比
• 6.2.2 改进方法
• 6.3 密炼室内胶料流动情况
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 所做工作
• 7.2 所得结论
• 7.3 本课题的创新及所做贡献
• 7.4 有待进一步研究、认识的问题
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文