往复式单螺杆销钉挤出机新型混合元件的开发及其混合性能研究

结合Φ45往复式单螺杆销钉挤出机(Buss Kneader)新型四头螺纹混合元件NKE的开发研究,利用有限元方法对物料在NKE元件内的流动情况进行了三维动态模拟.并与常规三头螺纹混合元件(KE)从动态混合过程、停留时间分布、分布混合及分散混合性能4个方面进行了对比;分析了加工条件对NKE元件停留时间分布、分布混合及分散混合性能的影响.     

往复式单螺杆销钉挤出机停留时间分布研究

使用Polyflow软件对往复式单螺杆销钉挤出机(Buss机)三类典型螺纹元件的停留时间分布(RTD)进行了三维动态模拟,分析了工艺条件和物料特性对RTD的影响。根据Buss机的螺杆组合构型,应用卷积技术求得了物料沿整根螺杆的RTD曲线,探讨了物料在Buss机内的RTD规律与工艺条件变化的相关性。     

数值模拟研究螺纹元件的混合性能

使用FEM方法数值模拟了同向双螺杆螺纹混合元件和普通螺纹元件流道中硬聚氯乙烯的流动过程,计算了2种螺纹元件流道内熔体的非等温流场,使用粒子示踪法统计分析了2种螺纹元件流道内熔体的混合性能.研究结果表明,螺纹混合元件具有较均匀的剪切速率分布、较平缓的温度分布和较强的分散与分布混合能力,但是其输送能力较小.     

往复式挤出机螺杆往复运动及销钉排布对混炼性能的影响

应用黏性流体有限元数值模拟计算的方法,研究了Buss机内物料流场分布特征,分析了螺杆往复运动特征参数及销钉排数等对Buss机螺杆几何构型的影响,以及由此所造成物料微元所经历的最大拉伸长度分布和最大剪切应力分布的变化,从而揭示了往复式单螺杆销钉挤出机往复运动特征参数及销钉排数对高聚物熔体分布和分散混合性能的影响规律。     

不同螺杆构型的聚合物塑化过程混合特性分析

螺杆混合性能是影响聚合物塑化质量和均匀性的重要因素之一。采用扭转元件、销钉元件、Maddock元件及常规螺纹元件,应用计算流体力学软件Polyflow对5种螺杆构型的混合特性进行了数值仿真分析,结合停留时间分布、剪切速率分布、拉伸速率分布、混合指数和非弹性应力张量的第一特征值等参数比较全面地对其混合能力进行了比较。结果表明,5种螺杆构型流道内物料均以剪切流动为主,Maddock元件的剪切作用最明显,具有分流功能的结构可以在一定程度上强化对物料的拉伸作用;2种扭转元件对于物料的混合效果相对较好,其次是销钉元件和Maddock元件,最差的是常规螺纹元件。     

同向双螺杆不同螺纹元件混炼效果的数值研究

采用Polyflow软件数值模拟了啮合同向双螺杆挤出机流道内聚丙烯(PP)熔体的流动,数值计算了常规螺纹元件和开槽螺纹元件流道内PP熔体的三维等温流场,采用粒子示踪分析法(PTA)分析了不同螺纹元件流道内粒子的拉伸度自然对数、分离尺度和停留时间,比较了常规螺纹元件和开槽螺纹元件的混炼效果。研究表明,与常规螺纹元件相比,由于熔体在沟槽内产生漏流,开槽螺纹元件的建压输送能力较低,分散混合性能较弱;开槽螺纹元件流道内因粒子的停留时间较长,其分布混合性能优于常规螺纹元件。     

销钉机筒挤出机螺槽横截面内流体流动与混合的研究

在一定简化条件下，对销钉机筒挤出机螺槽横截面内的流场及混合均化效果以及销钉位置对流场和混合均化效果的影响进行了数值与实验研究。提出了流场中某点混合均化效果、整个流场平均混合均化效果以及混合均化效果统计分布的数值计算与评价方法。数值分析结果与实验结果具有较好的一致性。结果表明，销钉对物料具有明显的强化流动与混合均化的作用：销钉愈接近于螺棱，强化混合均化的效果愈显著：有销钉结构较无销钉结构的平均混合均化效果提高2．5％-5．6％；有销钉结构随着挤出时间的增加，混合均化效果不断提高，无销钉结构随着挤出时间的增加，当混合均化效果达到一定值后则不再提高。     

销钉机筒挤出机螺杆圆周展开面内物料流动与混合的数值分析与实验

在一定简化条件下,对销钉机筒挤出机螺杆圆周展开面内的流场及分布混合效果以及销钉个数对流场和分布混合效果的影响进行了数值与实验研究.提出了流场中某点混合效果、整个流场平均混合效果以及混合效果统计分布的数值计算与评价方法.数值分析结果与实验结果具有较好的一致性.结果表明,销钉及螺棱切槽对物料具有明显的强化流动与混合的作用;6个销钉结构模型混合效果好于3个销钉结构模型,3个销钉结构模型好于有切槽无销钉结构模型,有切槽无销钉结构模型好于无切槽无销钉结构模型;有销钉结构较无销钉结构的平均混合效果提高30%～40%;有销钉结构随着时间的延长,混合效果不断提高,无销钉结构随着时间的延长,当混合效果达到一定值后则不再提高.     

同向双螺杆挤出机中齿形元件的流动和混合模拟

应用POLYFLOW软件,采用三维非等温、Cross模型,对高聚物熔体在双螺杆挤出机齿形元件和断裂螺纹元件中的流动和混合过程进行了数值模拟,并用示踪粒子法研究了不同颜色粒子的流迹和停留时间、剪切速率、剪切应力、拉伸速率的分布。在此基础上,对两种元件的分布性混合和分散性混合性能进行的量化分析对比发现,与断裂螺纹元件相比,齿形元件有着弱的输送能力和建压能力,强的轴向温升能力,强的分布性混合能力和分散性混合能力。     

波状双螺杆元件混合性能的研究

对同向波状双螺杆元件和常规螺纹元件的分散混合性能进行了数值模拟,分析了2种元件流场的平均剪切应力、最大剪切应力分布、最大拉伸应力分布等混合性能参数,并对其进行了实验研究。模拟结果与实验结果基本吻合。结果表明,波状双螺杆元件有较强的分散混合能力。     

啮合同向双螺杆挤出机中组合螺杆性能的数值研究（Ⅱ）混合特性分析

采用有限元软件POLYFLOW,对组合式啮合同向双螺杆挤出机ZSK60中不同构型的组合螺杆进行了混合分析。通过计算螺杆转过不同角度时的拟稳态流场,采用粒子示踪分析(PTA)方法,对组合螺杆中聚合物熔体的动态混合过程进行了可视化模拟;在此基础上通过对大量粒子运动轨迹的统计处理,分别采用停留时间分布、分布混合指数、分离尺度等累积混合指数表征了组合螺杆的轴向混合性能、分布混合性能以及分散混合性能。此外还研究了不同工艺条件下组合螺杆的混合特性。并将部分数值模拟结果与前人实验研究进行了对比。     

挤出机螺杆直槽式屏障混炼元件的优化设计

研究挤出机螺杆直槽式屏障混炼元件的优化设计问题。根据粘性流体流动基本方程。以单位产量能耗最小为优化目标,建立简化的挤出机螺杆直槽式屏障混炼元件优化设计的数学模型，并应用复合形法求解，确定剪切长度、剪切问隙、屏障长度和屏障槽数等主要几何参数。本研究优化结果均在文献所建议的最佳取值范围内。     

新型锥形双螺杆混合段三维流场分析

利用ANSYS有限元分析软件对带有混合块的新型锥形双螺杆的混合段流场进行了三维模拟分析。通过计算机编程所作的后处理，对其速度场、压力场、粘度场以及剪切速率、剪切应力进行了分析，绘制出更为直观的展开图形。同时，对螺纹元件和混合块进行了比较。     

新型偏心三螺杆挤出机流体混合特性分析

在传统的三螺杆挤出机的基础上,设计了一种新型偏心三螺杆挤出机。该三螺杆挤出机中具有螺杆几何结构偏心、螺槽构型呈梯度变化特殊以及较高的面积利用系数等特征。利用有限元法对聚丙烯（PP）熔体在新型偏心三螺杆挤出机中流动和混合规律进行三维数值模拟,给出偏心三螺杆挤出机中压力和速度分布规律,计算了3种偏心螺杆挤出流场的停留时间分布、分布指数、分离尺度、最大剪切应力等混合表征参数。结果表明,螺杆偏心距不仅决定了螺杆端面形状,也改变了螺槽梯度的变化程度。随着螺槽梯度的逐渐减小,挤出机内粒子团聚效应逐渐降低、物料剪切作用逐渐增强。在3种新型偏心三螺杆挤出机中,偏心距e=3 mm的新型偏心螺杆挤出机的混合性能相对较好。     

高分散混合元件设计及混合性能的研究

根据啮合同向双螺杆挤出机的啮合原理,设计了一种高分散混合双螺杆元件。运用Polyflow有限元分析软件对该双螺杆元件的3种螺杆构型的流场进行了模拟分析,并且对这3种螺杆构型进行了实验研究。研究表明,错列角为150°的元件的分散混合性能最好,其次是错列角为30°的元件,错列角为90°的元件的分散混合性能最差。     

三螺杆挤出机与双螺杆挤出机混合性能的比较

利用聚合物流体分析软件Polyflow,对倒三角形排列的三螺杆挤出机和等规格的双螺杆挤出机的混合性能进行了深入分析。通过计算不同角度的拟稳态流场,采用示踪粒子法对聚合物熔体在流场中的动态混合情况进行三维等温数值模拟,在此基础上对粒子轨迹进行统计后处理,并分别采用混合指数、面积伸展率和停留时间分布表征流场的分散混合能力、分布混合能力和轴向混合能力,进而比较两种挤出机的混合性能。另外,在实验条件与模拟条件相同的情况下,进行了实验验证。模拟结果表明,三螺杆挤出机各方面的混合性能均优于双螺杆挤出机。实验结果表明,实验数据与模拟结果基本一致。     

Chaotic mixing in a free-helix extruder using a new solution to the biharmonic equation

A recently published approach for modeling the cross flow in an extruder channel using a new solution to the biharmonic equation is utilized in a study of chaotic mixing in a free-helix single-screw extruder. This novel extruder was designed and constructed with the screw flight, also referred to as the helix, detached from the screw core. The flight-helix had straight sides that more closely emulated rectangular channel theory than the nominal sloped sides of a conventional single screw channel. Each of the screw elements could be rotated independently to obtain chaotic motion in the screw channel. Using the new extruder, experimental evidence for the increased mixing of a dye, for both a Dirac and droplet input, with a chaotic flow field relative to the traditional residence time distribution is presented. These experimental results are compared using the new biharmonic equation-based model. Comparing the experimental chaotic mixing with theoretical calculations was facilitated by a recently published technique for accurately placing the dye in the extruder channel. Because of the ability to periodically rotate only the flight/helix, the chaotic mixing results are minimally confounded by the existence of Moffatt eddies.     

锥形双螺杆挤出过程菠萝型混合元件三维流场分析（Ⅱ）

利用ANSYS有限元软件对啮合异向锥形双螺杆挤出机中的新型螺杆元件——菠萝型混合元件进行了三维流场的模拟计算，对其速度场、压力场、粘度场以及剪切速率、剪切应力进行了分析，绘制出更为直观的展开图。同时，将其和常规螺纹元件进行了比较。