三螺杆挤出机挤出特性的数值模拟

利用计算流体力学的方法对聚合物熔体在三螺杆挤出机中的流动规律进行了数值模拟,分析了物料在三螺杆中心区的流动和混合情况。通过速度和压力分布,计算了三螺杆挤出机的螺杆挤出特性参数,并和双螺杆挤出机进行对比分析。结果表明,由于中心区环流的存在,延长了物料在三螺杆挤出机的停留时间分布。三螺杆挤出机在分布性混合、分散性混合、能耗等方面均好于双螺杆挤出机,而产能比又为双螺杆挤出机的1.3倍。三螺杆挤出机具有较好的工程应用前景。     

复合共挤成型中挤出胀大的三维粘弹数值模拟

采用Phan-Thien and Tanner(PTT)本构方程,建立了矩形截面共挤口模内外两种聚合物熔体流动的三维粘弹数值模型,有限元模拟了聚丙烯/聚苯乙烯(PP/PS)共挤过程中的挤出胀大现象,并用实验验证了模拟结果。研究表明:当入口体积流量相同时,两熔体挤出口模后会朝向黏度较高的PS熔体一侧偏转,型材截面呈非对称畸变。两熔体在垂直挤出方向上的速度分布导致了挤出胀大过程中熔体的偏转流动,而口模出口处的剪切速率分布基本决定了共挤型材截面的形状。实验结果与模拟结果基本相符,模拟所得挤出胀大率比实际值大8.6%。等温假设是影响共挤出胀大数值模拟准确度的主要因素。     

嵌入式行星螺杆挤出机内三维流动数值模拟

基于有限体积方法,对嵌入式行星单螺杆熔体输送段流场进行三维等温数值模拟。通过简化的物理模型来模拟行星螺杆复杂的几何结构,使用用户自定义程序设定了行星螺杆运动的边界条件。通过对嵌入式行星螺杆挤出机内螺槽压力、速度、形变速率张量、拉伸强度的分析,表明行星螺杆速度都有周期性的波动,嵌入式行星螺杆平均形变速率更高并且伴有强的拉伸场作用。通过停留时间分布曲线分析,嵌入式行星螺杆内物料停留时间分布曲线较普通单螺杆更窄,同等转速下产量更高。     

一种折流板双螺杆构型挤出压力脉动响应EI北大核心CSCD

文中提出了一种带有折流板的双螺杆结构,旨在混炼过程中引入对称破缺机理并降低挤出过程的压力波动。为探索折流板双螺杆的挤出特性,自行研制了全程可视化的实验样机。以常温黏弹流体羧甲基纤维素钠(CMC-Na)为实验流体,测量了传统及折流板双螺杆流道机头处的压力响应。首次通过傅里叶变换方法分析了压力脉动的产生机理,探究了螺杆构型、转速及喂料量对压力脉动的影响。结果表明,在较低螺杆转速和喂料量条件下,全充满状态下挤出压力的脉动周期与螺杆转动的周期一致,压力波动幅度随着螺杆转速的增加而增加;压力随喂料量增加而增加,但波动随着喂料量的增加而减小;螺杆旋转1周,传统双螺杆压力呈现双峰曲线,而折流板双螺杆为单峰分布,且峰值更小。粒子图像测速(PIV)显示,折流板双螺杆内啮合区存在物料相互交汇现象,保持啮合的同时实现横向和纵向开放连通,因而导致了压力脉动幅度较小。     

一种折流板双螺杆构型挤出压力脉动响应

文中提出了一种带有折流板的双螺杆结构，旨在混炼过程中引入对称破缺机理并降低挤出过程的压力波动。为探索折流板双螺杆的挤出特性，自行研制了全程可视化的实验样机。以常温黏弹流体羧甲基纤维素钠(CMC-Na)为实验流体，测量了传统及折流板双螺杆流道机头处的压力响应。首次通过傅里叶变换方法分析了压力脉动的产生机理，探究了螺杆构型、转速及喂料量对压力脉动的影响。结果表明，在较低螺杆转速和喂料量条件下，全充满状态下挤出压力的脉动周期与螺杆转动的周期一致，压力波动幅度随着螺杆转速的增加而增加；压力随喂料量增加而增加，但波动随着喂料量的增加而减小；螺杆旋转1周，传统双螺杆压力呈现双峰曲线，而折流板双螺杆为单峰分布，且峰值更小。粒子图像测速(PIV)显示，折流板双螺杆内啮合区存在物料相互交汇现象，保持啮合的同时实现横向和纵向开放连通，因而导致了压力脉动幅度较小。     

轮胎胶应力诱导脱硫及热塑性弹性体的制备

采用提高双螺杆挤出机螺杆转速的高剪切应力诱导方法,研究了螺杆转速、挤出反应温度及螺杆长径比对脱硫轮胎胶共混物凝胶含量、熔体流动速率和溶胶红外吸收光谱的影响。研究了脱硫工艺条件对脱硫轮胎胶/HDPE/EPDM热塑性弹性体力学性能的影响。实验结果表明,挤出机的高剪切应力作用,可诱发轮胎胶粒中交联网络的断链和氧化降解作用,引起脱硫共混物凝胶含量的下降、熔体流动速率的增加和脱硫共混物溶胶分子链中醚键、酯键、过氧酸和磺酸酯基团的明显增加。挤出机螺杆转速越快、挤出反应温度越高或螺杆长径比越大,其所得热塑性弹性体中未脱硫凝胶颗粒尺寸就越小。     

啮合同向旋转双螺杆熔体输送特性参数计算式

在计入熔体输送流动的非牛顿性和非等温性的前提下，推导出了熔体输送段流量、扭矩、轴向力、比功耗、平均剪切强度及螺杆效率这些熔体输送特性参数的计算式，为进一步研究熔体输送行为创造了条件。     

左右旋螺筒结构对单螺杆挤出机性能的影响EI北大核心CSCD

为了研究开有左、右旋螺槽的螺筒结构对单螺杆挤出机熔融段挤出混炼性能的影响,使用POLYFLOW软件,数值模拟了硬质聚氯乙烯(PVC-R)熔体在左旋和右旋螺筒的单螺杆挤出机流道内的三维等温流场和挤出混合过程,研究了螺筒螺棱左右旋向对单螺杆挤出机挤出和混合性能的影响。研究结果表明,与右旋螺筒相比,左旋螺筒挤出熔体的轴向速度可达5 mm/s,左旋结构流道内粒子混合指数大于0.5的区域和拉伸对数也更大,分离尺度更小,因此可提高挤出机挤出输送能力和混合性能。     

左右旋螺筒结构对单螺杆挤出机性能的影响

为了研究开有左、右旋螺槽的螺筒结构对单螺杆挤出机熔融段挤出混炼性能的影响,使用POLYFLOW软件,数值模拟了硬质聚氯乙烯(PVC-R)熔体在左旋和右旋螺筒的单螺杆挤出机流道内的三维等温流场和挤出混合过程,研究了螺筒螺棱左右旋向对单螺杆挤出机挤出和混合性能的影响。研究结果表明,与右旋螺筒相比,左旋螺筒挤出熔体的轴向速度可达5 mm/s,左旋结构流道内粒子混合指数大于0.5的区域和拉伸对数也更大,分离尺度更小,因此可提高挤出机挤出输送能力和混合性能。     

四螺杆挤出机中聚合物流动特性的计算机模拟

利用计算流体力学法(CFD),对聚合物熔体在四螺杆挤出机螺纹元件中的流动规律进行了数值模拟.利用计算所得的速度场和压力场,计算了四螺杆挤出特性,并和双螺杆、一字型排列和三角形排列的三螺杆挤出机进行了对比分析.结果表明,四螺杆的四个啮合区具有较大的压力和速度梯度,在中心区有明显的环流现象,延长了物料的停留时间分布,且中心区物料没有滞留现象.由于中心区的存在导致了四螺杆挤出机的建压能力较弱;但四螺杆挤出机在产量、分布性混合和分散性混合等方面好于双螺杆和三螺杆挤出机.     

轴向磁场对硅单晶Czochralski生长过程的影响

利用有限元方法对炉内的传递过程进行了全局数值模拟,假定熔体和气相中的流动都为准稳态轴对称层流,熔体为不可压缩流体,Cz炉外壁温度维持恒定,模拟磁场强度范围为(0～0.3)T,研究了用Czochralski(Cz)法生长单晶硅轴向磁场对熔体流动和氧传输过程的影响.结果表明:轴向磁场可有效地抑制熔体内的流动,但增大加热器功率和结晶界面处晶体内的轴向温度梯度;对于常规Cz炉,轴向磁场可增大结晶界面平均氧浓度,而对于具有气体导板的Cz炉,则会减小结晶界面平均氧浓度.     

单螺杆橡胶挤出机三维非等温流动数值模拟

为研究胶料在挤出过程中的流动模式,本文建立了具有复杂几何构型的主、副螺纹单螺杆螺槽内胶料三维非等温流动的有限元模型,采用Bird-Carreau模型和Arrhenius shear stress方程分别表征胶料黏度随剪切速率和温度的变化,并通过热力学估算确定了合理的机筒壁热学边界条件.在此基础上求解了20 r/min转速下的速度场、温度场和压力场,并将温度数值计算结果与实测结果进行了对比,两者吻合较好,这表明了模型的有效性.此外,通过模拟发现主、副螺纹构型的热喂料螺杆确实可以避免挤出过程中的"死区"并提供更强剪切作用;螺杆挤出段的副螺纹阻碍了胶料的流动,使得该处压力更大;由于受剪切时间更长、更强烈,胶料在挤出段温度最高.最后考察了不同转速下的压力和温度,结果发现挤出过程的最大压力与最高温度均随转速增大而升高,与此同时由于胶料自身的剪切变稀特性和温度依赖性,压力与温度上升的趋势会随着转速的升高而减缓.     

轮胎胶应力诱导脱硫及对聚丙烯的增韧作用

在轮胎胶粉的熔融挤出过程中添加线型高分子材料作为溶胀剂和承载流体,并通过提高双螺杆挤出机转速的高剪切应力诱导方法,研究了螺杆转速和挤出反应温度对轮胎胶脱硫共混物凝胶含量、熔体流动速率、溶胶特性黏数及红外光谱(FT-IR)的影响。结果表明,双螺杆挤出机的高剪切应力可诱发轮胎胶颗粒中交联网络的断链反应和氧化降解作用,引起脱硫共混物凝胶含量的明显下降、熔体流动速率的明显增加、溶胶特性黏数的明显减小及溶胶分子链中碳碳双键和醚键基团明显增加。在最佳脱硫反应条件下,所得脱硫共混物可使聚丙烯(PP)(J430)材料的缺口冲击强度由10.5kJ/m2提高至47.7kJ/m2。     

基于FLUENT软件对三螺杆挤出机 混合特性的模拟与分析

基于FLUENT软件,对聚合物熔体在三螺杆挤出机(TTSE)中的流动规律进行了三维模拟,利用示踪粒子技术分析了聚合物熔体在螺杆内的流动与混合规律,求解得出了聚合物熔体在三螺杆挤出机中的剪切速率分布云图、混合指数云图以及聚合物在流道内的停留时间分布(RTD),并与双螺杆挤出机(TSE)的混合性能进行了对比分析。模拟结果表明,三螺杆挤出机的分散混合能力与分布混合能力都强于双螺杆挤出机,同时,由于中心环流区的存在使得物料在三螺杆挤出机的停留时间更长。因此,三螺杆挤出机在今后的实际生产应用中会有较好的前景。     

振动场作用下聚合物熔体在异型材挤出口模内的充填流动分析

利用ANSYS软件对受口模入口处周期性振动的压力驱动的非牛顿幂律聚合物熔体在“L”形异型材挤出口模内的充填流动进行了三维等温数值模拟,求得了压力和速度随时间和沿路径的变化曲线,并因此总结出了振动参数对充填流动的影响规律.结果表明,速度和压力的振动均沿挤出方向逐渐衰减,入口压力的低频高幅振动有利于充填过程的稳定.     

叶片挤出机熔体压力响应及挤出特性EI北大核心CSCD

利用自行研制的叶片挤出机实验研究了工艺参数对熔体压力及挤出产量的影响,分析了叶片挤出机的挤出特性、成型加工过程中熔体压力的动态特性及响应。结果表明,在叶片挤出机中熔体压力随时间周期性脉动变化,实现了脉动压力诱导的挤出成型过程;熔体压力的脉动频率为转子轴角频率的4倍;脉动幅值随转子轴转速的增加而增加,沿挤出方向逐渐减小,口模压力对脉动幅值的影响较小。与常规单螺杆挤出机相比,叶片挤出机具有正位移输送特性,口模压力、物料特性等对产量的影响小,设备挤出特性"硬"。     

SC-CO2及工艺条件对高固含量发射药CA/CaCO3体系挤出停留时间的影响

为了研究挤出过程中超临界二氧化碳（SC-CO₂）对高固含量发射药停留时间分布的影响，采用示踪粒子轨迹跟踪技术研究了醋酸纤维素（CA）/碳酸钙（CaCO₃）/SC-CO₂代料停留时间的影响因素，结合反应器流动模型确定了CA/CaCO₃/SC-CO₂在机筒中的流动情况。数值模拟结果显示,注入体积流量为0.1 mL/min的SC-CO₂后，平均停留时间缩短了35%，Pe减小了196.4；螺杆转速由6 r/min增加到14 r/min时，平均停留时间缩短了54.5%，Pe减小了210.8；当机筒温度从40 ℃升高至60 ℃，平均停留时间减少了19%，Pe减小了75.0。反应器流动模型拟合结果显示,螺杆转速由6 r/min增加到14 r/min时，CA/CaCO₃/SC-CO₂的体积分数从0.65降低到0.62。由此可知，SC-CO₂的加入、螺杆转速的增加以及机筒温度的升高都显著缩短了物料的停留时间，并促进了轴向混合，CA/CaCO₃/SC-CO₂在螺杆内的主要流型为活塞流。     

微注塑成型流动中熔体壁面滑移的研究

基于宏观熔体流动的基本理论及其流动过程中壁面滑移机理的分析,针对微注塑成型模具中熔体充模流动时的壁面滑移行为,建立了微小通道中高聚物熔体流动的壁面滑移理论模型。并用数值模拟方法,对不同滑移系数时微小通道中熔体的壁面滑移对流动速度、熔体压力等的影响进行了研究。结果表明,微小通道中的壁面滑移可使壁面处熔体的流动速度增加,压力损失减小,有利于熔体的充模流动。     

非等温气辅共挤出胀大的三维粘弹数值模拟

采用PTT本构方程和Arrhenius黏度对温度依赖方程,运用有限元方法,对低密聚乙烯(LDPE)/高密聚乙烯(HDPE)熔体的共挤过程进行了三维非等温粘弹数值模拟,对比分析了两熔体在传统和气辅共挤过程中的速度场、剪切速率分布和层间界面形貌。研究表明,气辅共挤成型在口模出口处不存在二次流动,且在挤出方向流速均匀,剪切速率分布均匀且数值比传统共挤小得多,说明气辅共挤能有效消除传统共挤过程中的挤出胀大和界面偏移现象。     

PET薄膜挤出成型有限元模拟和阻流分析

设计了厚度为0.12mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜衣架式挤出流道,使用有限元软件模拟了聚合物熔体的流动规律,获得了流道内部的压力场、速度场和温度场的分布,分析了阻流设计对流场的影响。研究表明,流道结构对压力分布影响显著,对速度、温度分布影响不明显;流道阻流部分尺寸较小的改变,会引起流道内部熔体压力较大的变化,易导致挤出成型过程的不稳定,从而显著影响产品质量。此外,挤出流量对流场压力分布影响很小。