波状双螺杆元件混炼性能的数值模拟

借助聚合物流动分析软件Polyflow对半啮合同向/异向波状双螺杆元件和全啮合同向/异向常规双螺杆元件进行流场和混合性能的数值模拟,分析比较两者的剪切速率、混合指数、非弹性应力张量第一特征值、停留时间、时均混合效率、分离尺度等表征混合性能的特征参数,模拟分析结果表明,波状双螺杆元件具有更加优异的混炼性能。     

新型偏心啮合盘元件的混沌混合特性

在双螺杆挤出机中引入偏心圆啮合盘元件,分析了新型啮合盘元件偏心圆啮合盘元件的压力场、速度矢量场、剪切速率场和混合指数场。同时比较了其在不同错列角和偏心距下的对数拉伸率、最大剪切速率、停留时间分布、分布指数和分离尺度。结果表明,偏心圆啮合盘元件轴向和周向压力梯度较大,两转子棱峰之间区域流动性较好。偏心圆啮合盘元件的轴向间隙和螺棱顶隙为其提供了良好的剪切能力。偏心搅拌提供了较强的拉伸作用,增强了其拉伸折叠效果,从而使其具有较好的混沌混合能力。对比不同的几何参数发现错列角为60°和偏心距为5 mm的啮合盘元件拥有较好的分散混合性能和分布混合性能。通过粒子可视化及其混合特性曲线分析,为深入了解偏心搅拌提供了理论依据。     

基于拉伸破碎原理的单螺杆拉伸混炼元件的研究

根据聚合物混炼过程中的分布混合主要取决于分流次数的多少,而分散混合则很大程度上依赖于剪切应力或拉伸应力的强度的原理,并基于拉伸形变的破碎效应,设计了一种新型单螺杆拉伸混炼元件。通过有限元软件Polyflow分析了该新型混炼元件的分散混合及分布混合性能,计算了混合过程中的压力、应力应变速率的概率函数。根据粒子轨迹研究发现,随着时间的延长,承受较大剪切速率或拉伸速率的粒子数逐渐增多,且流动过程中粒子具有较长的停留时间,无明显的回流与滞料现象,说明该新型拉伸混炼元件同时表现出良好的剪切与拉伸混合特征,但在低应变速率下拉伸混合性能要更加优越。     

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。     

聚乳酸用单螺杆挤出机熔体输送段数值模拟研究

运用Polyflow分别对聚乳酸(PLA)用3种不同结构类型单螺杆挤出机熔体输送段进行模拟,在流场分析的基础上,分析3种螺杆的混合性能。结果表明,在相同工艺条件下,普通型单螺杆和菠萝型单螺杆熔体轴向速度波动较大,且产生局部回流区域,不利于熔体的输送;菠萝型螺杆产生的流场速度和熔体黏度较高,使得物料在流场中受到更高的剪切速率,因此挤出产物的分散混合性能更好;挤出过程中,PLA熔体的黏度变化与流动速度变化存在一致性,随着流动速度逐渐增大,熔体受到的剪切作用逐渐增强,使黏度降低,流动性变好。     

间断副螺棱强化单螺杆挤出过程混合性能模拟

建立了带有间断副螺棱的新型单螺杆计量段螺槽展开物理模型及数学模型。借助流体动力学软件Ployflow,采用网格叠加技术,对熔体在新型单螺杆及普通单螺杆挤出机计量段展开螺槽内的流动情况分别进行了数值模拟。运用粒子示踪技术及统计学方法以停留时间分布、分离尺度及累计混合指数为指标来表征螺杆的混合性能。结果表明,相比于普通单螺杆,新型单螺杆不仅可以减小熔体物料分离尺度,提高混合指数,还可以加宽停留时间分布概率密度曲线,获得更好的混合分散效果。     

周期性间断多副螺棱螺杆混沌混合性能

在普通单螺杆的计量段插入周期性间断多副螺棱以触发混沌混合,对其加工聚合物的分布混合与分散混合特征进行模拟,同时与普通单螺杆比较,并进行不相容体系共混实验。结果表明:周期性间断多副螺棱螺杆使物料在流道内的停留时间增长,停留时间概率密度曲线峰增宽,使得粒子承受的扰动频率增大,有效地降低了粒子的分离尺度;周期性间断多副螺棱螺杆的最大剪切速率均值高于普通单螺杆,在聚合物加工过程中产生混沌混合,增强了聚合物的拉伸折叠作用;采用扫描电镜观察PC/HDPE不相容共混物的脆断面形貌,分散相PC颗粒经历被拉伸成片状结构、破碎成更小的纤维状结构、进一步破碎成球状形态的演变过程,分散相破碎演变得早,分散相粒径细小,周期性间断多副螺棱螺杆挤出机就具有很好的混沌混合特征。     

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。     

转子结构和工艺参数对双转子连续混炼机混合性能的影响

利用POLYFLOW软件,对聚合物熔体在双转子连续混炼机混炼段的拟稳态流场进行数值模拟,采用粒子示踪分析方法对物料所经历的流场特性进行统计学分析。得到了平均剪切应力、停留时间分布、累积最大拉伸速率等参数,通过其分析了转子结构和工艺参数对双转子连续混炼机混合性能的影响。结果表明,转子转速的提高使得物料所经受的剪切和拉伸作用增强;喂料速率的提高,使比剪切速率减小,物料在混炼段的停留时间变短;螺棱交汇区长度减小,流场中的剪切作用增强,螺棱交汇区长度和螺棱包角对停留时间分布的影响不大。最后对数值模拟的结果进行试验验证,结果基本一致。     

锥形和普通柱形单螺杆螺槽内熔体流动及混合对比分析

利用Polyflow软件对锥形单螺杆挤出机和普通单螺杆挤出机计量均化段进行流动与混合模拟.通过图形后处理和统计学处理得出速度场分布、剪切速率分布以及停留时间分布,对比说明了锥形螺杆比普通螺杆更有利于蓬松物料和热敏性物料的加工.     

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。     

新型偏心双螺杆挤出机流域混合特性

基于非对称流场的混沌混合理论,设计了一种新型的偏心双螺杆挤出机。通过对比传统普通螺杆元件与新型偏心螺杆元件,偏心距不仅决定了螺杆的端面形状,也改变了螺槽形状,使同一导程内的2个独立的C型室螺槽形成一个ω型室螺槽。利用Polyflow软件分别对传统双螺杆挤出机与3种不同偏心距螺杆元件的新型双螺杆挤出机进行模拟仿真,分析了压力场、速度场与混合指数分布规律,计算了4种双螺杆挤出机流场的停留时间分布、分离尺度、最大剪切应力等混合表征系数。结果表明,与传统双螺杆挤出机相比,偏心双螺杆挤出机压力分布不均匀,正负压压力值增大,因此,压力差增大,使熔体回流速度增大,混合效果更佳;拉伸流区域增大,混合能力增强;熔体在流体域内的总体停留时间缩短,混合效果更佳;分离尺度数值下降较快,混合效率较高;偏心螺杆元件对流体的剪切应力增大,分散混合能力增强。     

间断副螺棱结构对挤出机内混沌混合影响的数值模拟

建立了混沌单螺杆挤出机计量段展开螺槽的物理模型及数学模型,根据流体符合Carreau定律,借助Ployflow软件,采用网格叠加技术,对聚合物熔体在插有间断结构副螺棱螺槽内的流动进行了数值模拟分析,从统计学的角度结合粒子示踪技术以停留时间分布、分离尺度、混合效率及累计混合指数为指标来表征螺杆的混合性能。结果表明,当副螺棱间断次数多且高度略低于螺槽高时混沌单螺杆混合性能更好。     

同向双螺杆挤出机中不同导程螺纹元件的流动和混合模拟

本文应用POLYFLOW软件，选用三维非等温、Cross模型，对高聚物熔体在双螺杆挤出机不同导程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流线、流迹和停留时间、剪切速率、剪切应力、拉伸速率的分布。根据实验显示的各组数值；对该种元件在不同导程下的混合性能进行了量化分析对比，并得出结论。     

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.     

螺棱梯形底角和凹槽半径对反应挤出机流场的影响

利用Polyflow计算机软件,在相同温度的条件下,通过最大剪切速率、最大剪切应力、最大混合指数和累计停留时间这4个指标,研究螺杆螺棱截面形状为梯形时其梯形底角角度和凹槽半径两个变量对聚乙烯在单螺杆反应挤出机中流场的影响。结果表明,当螺杆螺棱截面梯形底角角度为60°时,螺杆提供的最大剪切速率、最大剪切应力、最大混合指数均较底角为30°和45°的高,粒子累积停留时间则居中;在底角为60°的梯形螺棱上开半径为1.5 mm的半圆凹槽时,该结构所提供的最大剪切速率、最大剪切应力和最大混合指数均较不开槽(凹槽半径0 mm)和凹槽半径为2 mm的高,粒子累积停留时间相对最短。当螺杆螺棱截面梯形底角角度为60°且凹槽半径为1.5 mm时,可使物料获得的剪切效果最好且使其在流道中的停留时间最短,从而为大规模生产加工节约了时间。     

往复式单螺杆销钉挤出机典型螺纹元件混合性能研究

使用Polyflow有限元软件对往复式单螺杆销钉挤出机（简称Buss机）的三类典型螺纹元件内物料流动和混合过程进行了数值模拟。流场分析中使用了网格重叠技术。在得到流场速度分布后,基于粒子轨迹跟踪技术计算了物料微元在螺纹元件内的流动轨迹,并分析了Buss机螺纹元件内物料的动态混合过程。以分布混合指数和分隔比例为指标定量地对比了螺纹元件的分布和分散混合性能,在此基础上分析了加工条件、物料特性及销钉布置对Buss机混合性能的影响。数值模拟结果与前人研究有较好的吻合性。     

基于拉格朗日法偏心双螺杆挤出机混合机理分析

利用有限时间李雅普诺夫指数(FTLE)和拉格朗日拟序结构(LCS),并结合混合指数和瞬时混合效率等,对比分析了偏心距为0、2、4 mm的3种偏心双螺杆挤出机流场内的混合特性。结果表明,当偏心距为4 mm时,偏心双螺杆挤出机中流体粒子的遍历范围较大,拉格朗日拟序结构较为完整;流域中存在双曲不动点,流体粒子经历了相对较好的拉伸和压缩作用。通过瞬时混合效率参数分析表明,偏心距为4 mm的偏心双螺杆挤出机的混合效率优于其他2种模型。     

开槽螺纹对双螺杆挤出均匀性影响的仿真研究

螺纹形式严重影响双螺杆挤出材料的均匀性。基于Polyflow建立了正螺纹及不同槽数、槽深的开槽螺纹元件下等规聚丙烯混合挤出过程的模拟模型。借助Polystat从停留时间、剪切速率、分离尺度等角度分析了螺纹元件的分散混合能力。结果表明,相比于正螺纹,开槽螺纹建压能力弱,降低了螺杆的挤出能力,但开槽螺纹有利于物料的反流及物料在螺杆内的停留时间;当一周开槽数为6且槽深为4 mm时,物料所受剪切速率最大,比正螺纹大22 s^-1;当一周开槽数为8且槽深为4 mm时,其分离尺度相比于正螺纹元件降低了40%,其破碎效果相比于正螺纹提升了38%,更有利于粒子的分布混合及分散混合,提升物料的均匀性。     

非对称差速三螺杆挤出机混合机理分析

设计了非对称差速三螺杆挤出机端面造型，并且，对比其与常规三螺杆、非对称双螺杆挤出机内流体混合行为。对流场中速度矢量场和压力场进行分析，同时，比较分布混合性能中停留时间、分离尺度和混合效率，分散混合性能中最大剪切应力、对数拉伸率和混合指数。结果表明，与常规三螺杆相比，非对称差速三螺杆能有效地避免常规三螺杆中心区回流较大的问题，正向输送能力更强，并且，啮合区两侧压差更大，有利于物料压延。流域内粒子停留时间分布区间集中，分离尺度显著降低，有利于物料分布混合。同时，能提供较强的拉伸作用，使流域内粒子受到更好的拉伸和折叠，从而使其具有较好的混沌混合能力，有利于物料分散混合。