平行三螺杆挤出机聚合物混沌混合的拉格朗日拟序结构分析

从拉格朗日拟序结构的新视角,对三螺杆挤出机二维流场的动力学特性进行有限元分析。采用4阶Runge-Kutta法计算粒子的运动轨迹,验证了时间步长对计算结果精确度的影响。利用有限时间李雅普诺夫指数(FTLE),Poincaré截面和粒子可视化技术分析了三螺杆挤出机流场的混沌混合机理。结果表明,拉伸和折叠作用促进了流体粒子的物质交换。由于在啮合区存在双曲不动点,混合效率较高,啮合区是流场混沌混合的主要区域;在紧靠螺杆壁区域,物质线的闭合导致流体输运受阻,近螺杆区混合效果较差。通过与双螺杆挤出机进行拉格朗日拟序结构(LCS)结构的比较发现,由于啮合区的增加,强化了挤出机流场的混沌混合;通过对数拉伸值的比较,三螺杆挤出机的混合能力优于双螺杆挤出机。     

基于拉格朗日的单螺杆销钉挤出机混沌混合分析

从拉格朗日理论的新视角,分析了高分子聚合物熔体在单螺杆销钉挤出机内的流型结构以及流动行为,揭示了销钉强化聚合物熔体输运和混沌混合的机理。使用有限元软件Polyflow计算了流场的速度分布和混合指数;借助Matlab数学软件进行自主编程对速度场进行积分得到了三种不同销钉挤出机模型的有限时间李雅普诺夫指数。结果显示,在加入销钉之后,单螺杆销钉挤出机流域中出现了圆柱绕流现象,绕流产生的尾迹将撞击螺棱,销钉和螺棱的这种相互作用将加剧聚合物熔体的拉伸作用。每个销钉都将产生尾迹,随着销钉数量的增加,导致流域中产生了更多的尾迹。尾迹与销钉相互作用得到了增强,导致流域中产生了更多的涡结构,说明流域中的大部分熔体处于混沌混合的状态。混沌混合使销钉挤出机内的流体拉伸作用得到了增强,流体的混合指数得到增加,混合效率也逐渐增大。     

三螺杆挤出机端面二维流场混沌混合拉格朗日拟序结构分析

三螺杆挤出机是一种新型的聚合物流体加工设备,其独有的中心区呈现出几何结构和受力状态的周期性变化,混合机理非常复杂。区别于传统的线性混合分析,从拉格朗日体系的新视角对三螺杆挤出机混沌混合进行拉格朗日拟序结构分析,利用有限时间Lyapunov指数(FTLE)、拉格朗日拟序结构(LCS),结合Poincaré截面和粒子可视化技术研究三螺杆挤出机二维流场的流体输运和混沌混合机理,讨论了中心区动态结构特性对FTLE和LCS分布的影响,并与单螺杆挤出机和双螺杆挤出机进行了对比分析。结果表明,LCS将三螺杆挤出机流域划分为近螺杆区、远螺杆区和中心区3个具有不同运动特性的区域,扭结是连接近螺杆区、远螺杆区和中心区物质交换的桥梁。随着混合时间的增加,扭结的弯曲和折叠程度逐渐增大,增强了3个区域的物质交换,强化了三螺杆流场的混沌混合。三螺杆挤出机啮合区附近存在3个双曲固定点,混合能力较好。Poincaré截面中椭圆周期点的出现说明在流域中心有非混沌区存在,因此三螺杆挤出机的中心区混合能力相对较弱。     

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。     

差速双螺杆挤出机二维端面流场及混合模拟

介绍了差速双螺杆挤出机的特点,应用Polyflow软件对差速双螺杆挤出机端面进行了二维流场及混合模拟。并且将差速比4∶1、5∶1以及异向同速双螺杆的端面流场及混合效果进行了对比分析。模拟结果显示:差速双螺杆的切面混合效果好于同速双螺杆,且随差速比增大而略有改善;而差速比4∶1的剪切速率和拉伸速率大于5∶1的。由此可见,设计挤出机时要综合考虑混合和塑化两方面效果选择差速比。     

三螺杆挤出机螺杆元件混合特性的数值研究

采用聚合物流体分析软件Polyflow对倒三角形三螺杆挤出机的6种螺杆元件的流道模型进行了三维等温数值模拟。使用Fieldview软件对结果进行统计处理,并采用不同的评价指标来表征混合性能,进而比较螺杆元件之间的混合特性。结果表明,捏合块的剪切和拉伸作用均强于螺纹元件;中性捏合块和左旋元件的回流效果好于其他元件;SME元件剪切弱于螺纹元件,但其拉伸作用和回流效果强于螺纹元件。因此,可根据物料对剪切的敏感性来合理地选择螺杆元件,以获得所期望的产品性能。     

三螺杆挤出机啮合块混合特性的数值模拟

利用流场分析软件Polyflow对啮合块在不同参数下的等温稳态流场进行数值模拟。同时引入加权平均剪切应力,加权平均剪切、拉伸速率和回流系数等不同的评价指标以表征倒三角形三螺杆挤出机的混合性能。深入分析不同因素对啮合块混合特性的影响。结果表明:啮合块具有优异的分布和分散混合性能。啮合盘厚度增加导致流场中拉伸作用增强。增大错列角会使正向啮合块的剪切降低,拉伸增强,反向啮合块的趋势则与之相反;为啮合块的设计提供了依据。     

三螺杆、双螺杆挤出机及其啮合块混合性能的比较

利用Polyflow聚合物流体分析软件,对三螺杆和双螺杆挤出机及不同参数啮合块的流道模型进行了等温数值模拟。经过统计后处理,引入加权平均剪切速率和剪切应力、回流系数等评价指标,深入分析了流场的混合行为。同时对倒三角形三螺杆挤出机和双螺杆挤出机的混合能力进行了对比,以此对三螺杆和双螺杆挤出机混合性能的优劣性加以探讨。     

三螺杆分散混合数值模拟及实验分析

为了研究平行同向啮合三螺杆挤出机的分散混合效果,采用离散元法对三螺杆挤出机中聚丙烯(PP)/低密度聚乙烯(PE-LD)两种塑料颗粒在加料段的混合情况进行数值模拟.首先建立了三螺杆挤出机的三维模型,在EDEM软件中仿真出不同螺杆转速下挤出机的混合效果,通过对收集盒分层处理计算得出混合过程中混合均匀度的变化趋势.分析结果表...     

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。     

销钉机筒挤出机内物料流动与混合效果的数值模拟

在单螺杆挤出简化模型的基础上 ,采用滑移网格技术 ,考虑销钉与螺杆相对运动的条件 ,分别研究销钉数量、销钉排间距、螺槽宽度、拖曳速度对螺杆圆周展开面内物料流动与混合效果的影响。结果表明 :销钉及螺棱切槽对物料具有明显的强化混合作用 ,减小销钉排间距及螺槽宽度、增大销钉数量和提高拖曳速度都会改善混合效果。对于Φ90销钉挤出机 ,每排 68枚销钉、销钉排间距为 60 72mm、螺槽宽度为 5 4mm左右、转速为 2 5 5 0r·min- 1 时可达到较好的混合效果     

Numerical simulation of the flow field in the mixing section of a screw extruder by the lattice Boltzmann model

The single-screw extruder is commonly used in polymer processing where the performance of the mixing section is significant in determining the quality of the final product. It is therefore of great interest to simulate the flow field in a single-screw extruder. In this paper the simulation is performed using the lattice Botlzmann model giving a fast and efficient numerical technique. The solution is compared to a finite difference and lattice gas simulation and found to give more accurate results.     

Analysis of the advection–diffusion mixing by the mapping method formalism in 3D open‐flow devices

This article extends the analysis of laminar mixing driven by a chaotic flow in the presence of diffusion to three‐dimensional open‐flow devices by means of the mapping‐matrix method. The extended formulation of the mapping matrix recently proposed by Gorodetskyi et al. (2012) allows inclusion of the molecular diffusion in the mixing process. This provides an efficient numerical tool for understanding the interplay between a chaotic advective field and diffusion, especially for high Péclet numbers. As a prototypical open‐flow device we consider the partitioned‐pipe mixer. Results deriving from the application of the extended mapping method are compared with Galerkin simulations, and a close agreement is found. Short‐term properties in the evolution of the concentration and the effect of axial diffusion are also addressed. © 2013 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 60: 387–407, 2014