同步转子密炼机混炼过程三维流场的数值模拟研究

论文摘要

目前,密炼机是橡胶行业应用最为广泛的间歇式混炼设备。随着橡胶工业和其他高分子材料行业的蓬勃发展,对于密炼机的性能要求越来越高。同步转子密炼机正是顺应这一需求而研制的,它是目前密炼机中最先进的机型之一,它具有混炼胶的温度分布均匀的突出优点,适宜用来加工均匀性要求高的胶料。橡胶在密炼机中的混炼过程十分复杂,所涉及的问题属于流变学和热力学等方面的问题。同时由于聚合物熔体的变粘度特性,使得数学模型的建立和分析计算也变得非常困难,因此,对于同步转子密炼机混炼过程的机理研究尚有许多需要探讨的问题。本文利用现代的计算机手段,开展对新型同步转子混炼过程三维流场的模拟研究,对于揭示同步转子密炼机的混炼机理,探索工艺制定以及结构的改进具有重要的促进作用。研究对于混炼过程的工艺优化、优质高效的生产过程也是一次有益的探索。本文首先以流变学理论为基础,运用POLYFLOW有限元分析软件,采用网格叠加技术（MST）对同步转子（ST型）在不同转子初始相位和工艺条件下,对橡胶混炼流场进行三维流场数值模拟,得到各工艺参数条件下混炼模型的压力场、速度场、粘度场和分散指数,其中分散指数是首次引入密炼机混炼流场分析。为了验证模型的可行性,本文还进行了相应的橡胶混炼实验。利用本实验室自主研发的SXM-1L实验型密炼机为主要的实验机台进行混炼实验,通过改变配方、调节两个转子相对位置的初始相位和机台的转速,制得不同工况下的混炼胶,同时采集混炼过程的温度,压力,功率等数据,并借助门尼粘度测试、炭黑分散度测试和物理性能测试得到混炼胶的微观形态结构及物理性能。本文最后结合转子突棱展开图对模拟结果和实验结果作进一步分析,再次验证混炼模型在一定程度上的可行性。通过对模拟的压力场云图进行分析发现,各相位的ST型转子混炼流场的压力分布较为均匀,仅在短棱顶的局部地方出现高压或低压区域,这些区域可以形成一个高压区向低压区的整体流动,利于两转子间胶料的交换和胶料分布混合。速度场模拟结果表明,相位不同对于胶料的轴向运动产生的影响有变化,某些相位局部形成蓝色区域较多,在此区域内轴向速度均为负矢量,形成死角区,且不利于此区域的胶料与其他胶料的混合分散。从粘度场模拟结果可以看到,转速对粘度变化影响较大,随着转速的增加,平均表观粘度值下降,并且下降得越来越缓,配方改变对此规律影响不显著。分散指数的流场模拟结果表明,混炼主要是以剪切流场为主,剪切作用与转速的增加成正比,其中0°、135°和315°初始相位的剪切作用相对45°、225°和270°相位的剪切作用较弱;所有相位的流场显示出在长棱和短棱的交界处,剪切作用最弱;而配方对平均分散指数影响不大。通过对实验结果分析,八个相位对混炼胶的质量影响与理论流场模型的模拟结果总体趋势是相符的。ST型转子相位不同的时候,对于胶料的均匀性以及综合物理性能是有影响的。实验结果显示:135°和315°相位的平均分散度较低,45°、225°和270°相位的平均分散度较高。随着密炼机转速的提高,转速每增加10r/min,门尼粘度平均值的下降幅度在5%6%左右;剪切作用上升的时候,有益于炭黑分散。检测结果表明,本机所有相位实验混炼胶料的平均炭黑分散度均达到6以上,其中78级占62.5%。说明同步转子密炼机分散程度较好,转速对门尼粘度影响较大,而相位对炭黑的平均分散度影响较大,炭黑分散度在转子处于不同初始相位时,可相差在2个级别左右;定伸强度、拉伸强度和扯断伸长率与炭黑分散度有关,随着炭黑分散度的提高,物理机械性能也随之提高,相位对混炼胶的物理性能有比较大的影响。从而验证了本论文三维流场的混炼模拟模型在工程上是可行的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 橡胶混炼设备
• 1.3 密炼机的发展
• 1.3.1 剪切型转子密炼机
• 1.3.2 啮合型转子密炼机
• 1.3.3 同步转子密炼机
• 1.4 现有的混炼理论用于同步转子混炼过程所存在的问题
• 1.5 密炼机混炼流场数值模拟的发展现状
• 1.5.1 流场数值模拟方法
• 1.5.2 密炼机混炼流场数值模拟研究进展
• 1.6 本论文的研究目标及研究内容
• 1.6.1 研究目标及内容
• 1.6.2 研究意义
• 1.7 本章小节
• 第二章 同步转子胶料混炼流场模型的建立
• 2.1 计算流体动力学
• 2.2 流动模型的建立
• 2.2.1 物理模型
• 2.2.2 数学模型
• 2.3 有限元模型建立
• 2.3.1 有限元网格划分
• 2.3.2 有限元网格重叠计算
• 2.3.3 模型方程修正
• 2.3.4 有限元模型
• 2.4 边界条件的确定
• 2.4.1 壁面边界条件
• 2.4.2 压力边界条件
• 2.4.3 实际边界条件
• 2.5 离散方程求解
• 2.6 本章小结
• 第三章 橡胶混炼流场的模拟分析
• 3.1 压力场
• 3.2 速度场
• 3.3 粘度场
• 3.4 分散指数
• 3.5 本章小结
• 第四章 实验研究
• 4.1 实验目的
• 4.2 实验装置及测试设备
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 测试设备
• 4.2.3 实验设备的标定
• 4.3 实验工艺条件的确定
• 4.4 实验方案及流程
• 4.4.1 橡胶混炼实验方案
• 4.4.2 橡胶混炼实验流程
• 4.5 实验数据处理
• 4.5.1 橡胶混炼实验
• 4.5.2 门尼粘度测试
• 4.5.3 炭黑分散度测试
• 4.5.4 混炼胶物理性能测试
• 4.6 本章小结
• 第五章 实验与模拟结果分析
• 5.1 实验与模拟结果分析
• 5.2 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢