（机械设计及理论专业论文）三螺杆挤出机混合特性的数值模拟和实验研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t 0 3 2学科分类号 4 6 0 2 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 7 2 8密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名庞军舰 学号 2 0 0 9 0 0 0 7 2 8 获学位专业名称机械设计及理论获学位专业代码 0 8 0 2 0 3 课题来源自选课题研究方向 聚合物加工 论文题目三螺杆挤出机混合特性的数值模拟和实验研究 关键词三螺杆挤出机，双螺杆挤出机，数值模拟，实验研究 论文答辩日期 2 0 1 2 - 5 - 2 6 论文类型基础研究 学位论文评阕及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师 李庆春 研究员 北京化工大学聚合物加工 评阅人1何亚东研究员北京化工大学聚合物加工 评阅人2 信春玲副研究员 北京化工大学 高分子材料 中国石化总公司北 徽员蝴赵月云高工 聚合物加工 京化工研究院 答辩委员1吴大鸣研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员2薛平研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员3何继敏副研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员4金志明副研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员5何亚东 研究员 北京化工大学聚合物加工 答辩委员6刘颖副研究员北京化工大学聚合物复合材料 答辩委员7 任冬云 副研究员北京化工大学 聚合物加工 答辩委员8闫宝瑞高工北京化工大学机电控制 答辩委员9刘广建高工北京化工大学聚合物加工 答辩委员1 0王克俭副研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员1 1赵中里讲师北京化工大学聚合物加工 冱：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在中国图书资料分类法查询 学科分类号在中华人民共和国国家标准( 0 t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中查 询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 三螺杆挤出机混合特性的数值模拟和实验研究 摘要 在高分子材料改性混合行业中，混合设备倒三角型三螺杆挤 出机( 以下简称三螺杆挤出机，用t t s e 表示) 越来越受到业界的广泛 关注。目前对t t s e 仍缺乏系统性研究，有关数值研究也仅是分析螺 纹元件的稳态流场，并缺乏相关的实验验证模拟的可靠性。本文在操 作条件相同，输出参数相同的情况下，建立模拟和实验数据的对比关 系，以验证模拟的可靠性；然后结合稳态和瞬态流场，定量比较了等 规格三、双头双螺杆挤出机( 以下简称双螺杆挤出机，用t s e 表示) 之间的混合性能；接着系统地研究了不同因素对t t s e 混合性能的影 响情况。本文采用这种由点到线的研究思路，探讨了如何建立一套完 整的三螺杆挤出机混合性能数值评价体系，研究工作对该领域具有一 定的指导意义。主要研究内容如下： 1 本文进行了不同工艺条件下( 入i s l 流量、螺杆转速、螺杆组合) 的轴 向压差实验和停留时间分布实验，并在此基础上统计出平均停留 时间。与相同条件下的模拟数据进行了比较，验证了模拟方法的 可靠性。 2 数值模拟了等规格t t s e 、t s e 的稳态和瞬态流场；得出t t s e 流 场的回流系数是t s e 的2 4 倍，平均停留时间则是t s e 的1 6 倍； t s e 单条螺棱上高剪切和强拉伸作用区域宽于t t s e ，但t t s e 的 平均剪切略高t s e ，拉伸速率则是t s e 的1 5 倍，粒子流经啮合 北京化工大学硕士学位论文 区的平均数，t t s e 是t s e 的1 5 5 倍，分布混合效果好；t t s e 内 粒子经历最大剪切应力和最大混合指数的概率也均高于t s e ，具 有很好的分散混合效果。此外，还得出三螺杆中心区对回流和拉 伸都有促进作用。 3 由点到线，系统地研究了螺杆元件类型、啮合块几何参数和螺杆 组合对t t s e 混合特性的影响，结合以上工作，初步建立了三螺 杆挤出机混合特性数值评价体系，为设备优化和实际生产加工提 供依据。 关键词：三螺杆挤出机，双螺杆挤出机，数值模拟，实验验证 i l a b s t r a c t n u t 讧e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l s t u d yo fm i n gp e r f o r m 哈l n c e o ft r i p l e s c r e we x t r u d e r a b s t r a c t t r i a n g l ea r r a y e dt r i p l e s c r e we x t r u d e r ( h e r e i n a f t e rt ob er e f e r r e da s t r i p l e s c r e we x t r u d e r , t t s ef o rs h o r t ) ，a st h eo n eo fm i x i n ge q u i p m e n t s ， i sr e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n a tp r e s e n t ，t h es t u d i e so ft h em i x i n g p e r f o r m a n c eo ft t s es t i l l l a c ks y s t e m a t i c a n a l y s i s ，s o m es i m u l a t e d s t u d i e sa r ej u s tb a s e do ns t e a d y - s t a t ef l o wf i e l d s ，a n dl a c ke x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o n t h i st h e s i st r i e dt os e tu par e l a t i o n s h i po fc o n t r a s tb e t w e e n n u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t st h a to b t a i n e du n d e rt h es a m e c o n d i t i o n st ov e r i f yt h er e l i a b i l i t yo ft h es i m u l a t i o n ，a n dt h e nc o m p a r e d t h em i x i n gp e r f o r m a n c e sb e t w e e nt t s ea n dt s e ，a n dt h e ns t u d i e dt h e i n f l u e n c e so fd i f f e r e n tf a c t o r so nt t s e u s i n gt h i sm e t h o df r o m p o i n tt o l i n ea n dt h e nf r o ml i n et os u r f a c e ，a n dt os y s t e mf i n a l l y , a ni n t e g r a t e d s y s t e m w a se s t a b l i s h e dt oe v a l u a t et h e m i x i n gp e r f o r m a n c e o f t r i p l e s c r e we x t r u d e r , w h i c hh a sac e r t a i ng u i d i n gs i g n i f i c a n c e t h em a i n c o n t e n t si nt h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： i i i 北京化工大学硕士学位论文 1 t h i st h e s i sc a r r i e do u ta x i a lp r e s s u r ea n dr t dt e s t i n g e x p e r i m e n t s u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，a n dt h e nm a d et h e c o m p a r i s o nb e t w e e n s i m u l a t e da n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h er e l i a b i l i t i e so fs i m u l a t i o n s w e r ep r o v e d 2 t h i st h e s i ss i m u l a t e dt h es t e a d y - s t a t ea n dt i m e d e p e n d e n tf l o wf i e l d s o ft t s ea n dt s e t h er e s u l t ss h o wt h a t ：b a c k f l o wr a t i oo ft t s ei s 2 4t i m e st h a to ft s e ，a n dt h ea v e r a g er e s i d e n c et i m eo ft t s ei s1 6 t i m e st h a to ft s e ；t h ea v e r a g es h e a rr a t eo ft t s ei sal i t t l em o r et h a n t s e ，b u tt h ea v e r a g es t r e t c h i n gr a t ei s1 - 5t i m e st h a to ft s e ；t h e a v e r a g en u m b e ro fp a r t i c l e st h a tf l o wt h r o u g ht h ek n e a d i n gz o n eo f t t s ei s1 5 5t i m e st h a to ft s e ，t h en u b m e ro f p a r t i c l e si nt t s et h a t e x p e r i e n c em a x i m u ms h e a rs t r e s sa n dm a x i m u mm i x i n gi n d e xi sm o r e t h a nt h a to ft s e 3 t h i st h e s i sf i r s ts i m u l a t e ds t e a d y - s t a t ef l o wf i e l d so fd i f f e r e n tf a c t o r s ( s c r e wd e m e n t s t y p e ，k n e a d i n gb l o c k g e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n d s c r e we l e m e n tc o m b i n a t i o n ) ，c o m b i n i n gw i t ht h ea b o v ew o r k ，a n i n t e g r a t e ds y s t e mw a si n i t i a l l ye s t a b l i s h e d t oe v a l u a t et h em i x i n g p e r f o r m a n c eo ft r i p l e s c r e we x t r u d e r k e y w o r d s ：t r i p l e - s c r e we x t r u d e r , t w i ns c r e we x t r u d e r , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 双螺杆挤出机( t s e ) 的混合性能介绍1 1 2 倒三角型三螺杆挤出机( t t s e ) 的研究现状3 1 3 数值模拟中混合性能的研究现状4 1 3 1 混合简介4 1 3 2 拉伸行为( s t r e t c h i n g ) 的研究现状5 1 3 3 混合指数( m i x i n gi n d e x ) 的研究现状6 1 3 4 面积伸展率( a r e as t r e t c hr a t e ) 的研究现状7 1 3 5 停留时间分布( r t d ) 的研究现状8 1 4 本课题研究的意义和主要内容1 0 第二章分析方法及相关理论1 3 2 1c f d 及其求解方法1 3 2 1 1 数学模型1 4 2 1 2 有限元模型的构建1 6 2 1 3 边界条件的设定1 7 2 2 统计后处理方法1 8 第三章模拟可靠性的实验验证2 3 3 1 物性参数的测定2 3 3 1 1 实验设备2 3 3 1 2 实验物料和工艺条件2 3 3 1 3 物性参数2 3 3 2 轴向压差的直接验证2 4 3 2 1 数值模拟2 4 3 2 2 压差实验2 7 3 2 3 结果分析2 8 3 3 停留时间分布( r t d ) 的间接验证2 9 3 3 1 测定方法2 9 3 3 2 结果分析3 0 v 北京化工大学硕士学位论文 3 4 本章小结3 2 第四章三、双螺杆挤出机的混合性能比较3 5 4 1 模型及边界条件3 5 4 2 稳态流场结果分析3 5 4 2 1 压力分布3 5 4 2 2 回流系数3 7 4 2 3 剪切速率和拉伸速率3 8 4 2 4 剪切应力、混合指数4 0 4 2 5 三螺杆中心区的作用分析4 3 4 3 瞬态流场结果分析4 5 4 3 1 流经啮合区的粒子数量比较4 5 4 3 2 累积剪切速率概率函数4 6 4 3 3 累积剪切应力概率函数4 7 4 3 4 累积混合指数的概率函数4 8 4 3 5 面积伸展率4 9 4 3 6 停留时间分布( r t d ) 4 9 4 4 本章小结5 0 第五章不同因素下的三螺杆流场分析5 3 5 1 不同螺杆元件的稳态流场分析5 3 5 1 1 模型具体特征5 3 5 1 2 边界条件5 4 5 1 3 结果分析5 4 5 1 4 本节小结5 9 5 2 几何参数对啮合块流场的影响6 0 5 2 1 模型具体特征6 0 5 2 2 边界条件6 1 5 2 3 结果分析6 l 5 2 4 本节小结7 3 5 3 螺杆组合对t t s e 混合性能的影响7 4 5 3 1 模型及边界条件7 4 5 3 2 结果分析7 4 5 3 3 本节小结8 0 v 1 目录 第六章全文总结8 1 6 1 主要结论8 1 6 2 研究展望8 2 参考文献8 3 致谢8 7 研究成果及发表的学术论文8 9 作者和导师简介9 1 v 原书空白页 不缺内容 c o n t e n t s co n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1i n t r o d u c t i o no fm i x i n gp e r f o r m a n c eo ft w i n s c r e we x t r u d e r 1 1 2t h er e s e a r c hs t a t u sa b o u tt r i p l e s c r e we x t r u d e r 3 1 3t h er e s e a r c hs t a t u so fm i x i n gp e r f o r m a n c ei nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 4 1 3 1i n t r o d u c t i o no f m i x i n g 4 1 3 2t h er e s e a r c hs t a t u so f s t r e t c h i n g 5 1 3 3t h er e s e a r c hs t a t u so f m i x i n gi n d e x 6 1 3 4t h er e s e a r c hs t a t u so f a r e as t r e t c hr a t e 。7 1 3 5t h er e s e a r c hs t a t u so fr e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o n 8 1 4t h em a i nc o n t e n t sa n dm e a n i n go f t h i st h e s i s 1 0 c h a p t e r2m e t h o da n dt h e o r yo fa n a l y s i s 1 3 2 1c f da n di t ss o l v i n gm e t h o d s 1 3 2 1 1t h e b u i l d i n go f m a t h e m a t i c a lm o d e l 1 4 2 1 2 t h e b u i l d i n g o f f i n i t e e l e m e n t m o d e l 1 6 2 1 3s e t u po f b o u d u r yc o n d i t i o n s 1 7 2 2m e t h o d so fs t a t i s t i c a lp o s t - p r o c e s s i n g 1 8 c h a p t e r3a n a l y s i so ff l o wf i e l d su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s 2 3 3 1m e a s u r eo f p h y s i c a lp a r a m e t e r 2 3 3 1 1 e x p e r i m e n t a lf a c i l i t i e s 2 3 3 1 2e x p e r i m e n t a lm a t e r i c a la n dt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s 2 3 3 1 3p h y s i c a lp a r a m e t e r 2 3 3 2d i r e c tv a l i d a t i o no fa x i a lp r e s s u r ed i f f e r e n c e 2 4 3 2 1n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 2 4 3 2 2e x p e r i m e n to f p r e s s u r ed i f f e r e n c e 2 7 3 2 3a n a l y s i so f r e s u l t s 2 8 3 3i n d i r e c tv a l i d a t i o no f r t d 2 9 3 3 1m e t h o d so f m e a s u r e 2 9 i x 北京化工大学硕士学位论文 3 3 2a n a l y s i so f r e s u l t s 3 0 3 4c h a p t e rs u m m a r y 3 2 c h a p t e r4c a m p a r i s o no fm i x i n gp e r f o r m a n c eb e t w e e nt r i p l e s c r e w a n dt w i n s c r e we x t r u d e r 3 5 4 1m o d e l sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n s 3 5 4 2r e s u l ta n a l y s i so f s t e a d y - s t a t ef l o wf i e l d 3 5 4 2 1p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n 3 5 4 2 2b a c k f l o wr a t i o 3 7 4 2 3s h e a rr a t ea n ds t r e t c h i n gr a t e 3 8 4 2 4s h e a rs t r e s sa n d m i x i n gi n d e x 4 0 4 2 5a n a l y s i so ft h ec e n t r a lz o n ei nt r i p l e - s c r e we x t r u d e r 4 3 4 3r e s u l ta n a l y s i so ft i m e d e p e n d e n tf l o wf i e l d 4 5 4 3 1c a m p a r i s o no f q u a n t i t yo fp a r t i c l e si nk n e a d i n gz o n e 4 5 4 3 2p r o b a b i l i t yf u n c t i o no fc u m u l a t i v es h e a rr a t e 4 6 4 3 3p r o b a b i l i t yf u n c t i o no fc u m u l a t i v es h e a rs t r e s s 4 7 4 3 4p r o b a b i l i t yf u n c t i o no fc u m u l a t i v em i x i n gi n d e x 4 8 4 3 5a r e as t r e t c hr a t e 4 9 4 3 6r e s i d e n c e t i m e d i s t r i b u t i o n ( r t d ) 4 9 4 4c h a p t e rs u m m a r y 5 0 c h a p t e r 5a n a l y s i so ff l o wf i e l d su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s 5 3 5 1a n a l y s i so fs t e a d y - s t a t ef l o wf i e l d so fd i f f e r e n ts c r e w se l e m e n t s 5 3 5 1 1p h y s i c a la n df i n i t ee l e m e n tm o d e l s 5 3 5 1 2b o u n d a r yc o n d i t i o n s 5 4 5 1 3a n a l y s i so f r e s u l t s 5 4 5 1 4p h r a s es u m m a r y 5 9 5 2t h ei n f l u e n c e so fg e o m e t r i cp a r a m e t e r so nf l o wf i e l do fk n e a d i n gb l o c k 6 0 5 2 1p h y s i c a la n df i n i t ee l e m e n tm o d e l s 6 0 5 2 2b o u n d a r yc o n d i t i o n s 6 1 5 2 3a n a l y s i so f r e s u l t s 6 l 5 2 4p h r a s es u m m a r y 7 3 5 3t h ei n f l u e n c e so f s c r e wc o m b i n a t i o no nf l o wf i e l d 7 4 5 3 1m o d e l sa n d b o u n d a r y c o n d i t i o n s 7 4 x c o n t e n t s 5 3 2a n a l y s i so f r e s u l t s 7 4 5 3 3p h r a s es u m m a r y 8 0 c h a p t e r6c o n c l u s i o n s - 8 1 6 it h em a i nc o n c l u s i o n s 8 l 6 2p r o s p e c tf o rr e s e a r c h 8 2 r e f e r e n c e s 8 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 8 7 r e s e a r c ha c c o m p l i s h m e n t sa n dp u b l i s hp a p e r s 8 9 b r i e f i n t r o d u c t i o no f a u t h o ra n dt u t o r 9 1 x i 原书空白页 不缺内容 符号说明 兄 d ，| d i 形，i 矽i 6 6 6 仉 t 仃2 “ u ，y ，w “。，u 等 v d i v u ，v u v h r y e q ，q 回 g q n 以 n 口 玑 刁。 c ， t 后 p 符号说明 混合指数 形变速率张量及其模 涡旋速率张量及其模 面积伸展，导数 面积伸展率 平均停留时间，s 方差 速度，m s _ 玎在x , y , z 方向上的分量 u ，v ，w 在x 等方向上的梯度 哈密顿算子 速度散度 速度梯度 剪切应力，p a ，m p a 剪切速率，s 一 拉伸速率，s 。 净流量，回流量，m s q 回流系数 入口流量，喂料量，m 3 s 。1 螺杆转速，r p m 松弛时间，s 非牛顿指数 黏度转变速率常数 零件切黏度，p a s 夕无限大时的黏度，p a s 比热容，j 蚝。c 1 温度， 传热系数，w m t 。c 1 熔体密度，k g m 3 北京化工大学硕士学位论文 p p s ，p e p ( x ) 口 k d 矽 压力，p a m p a 模拟压力，实验压力，p a ，m p a x 的概率函数 错列角，。 啮合盘个数 啮合盘厚度 啮合盘厚度比 v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 双螺杆挤出机( t s e ) 的混合性能介绍 高分子材料是生活中应用最广的一种材料，在电子、机械、医疗、汽车、航 空航天等行业，尤其是替代不可再生能源、环境保护方面发挥着举足轻重的作用。 近几年，随着国民经济的发展和国防建设的需要，以及时代对低碳节能生活的倡 导，社会对高分子材料的性能要求越来越高。高分子材料改性是研究新型高分子 材料的重要分支之一，是将不同的聚合物或聚合物和添加剂进行混合的过程，混 合质量的优劣主要与物料配方、混合工艺和混合设备相关。 混合设备发展至今已有近2 0 0 年的历史，设备类型也是多种多样，其中同向 啮合双螺杆挤出机( t s e ) 是当今最常用的混合设备。如图1 1 所示，它的横截 面呈“o o 型，物料在摩擦拖曳下，沿着螺槽向前输送，经历多次分流与置换， 具有优秀的混合效果【l 】，图l 一2 所示的是三个不同位置的示踪粒子在双螺杆挤出 机的螺槽中的运动路线。螺杆与螺杆之间形成啮合区，产生极高的局部剪切与挤 压作用，加强了设备的分散混合能力，而且两根螺杆在啮合区间隙处的速度方向 相反，更加有利于物料的分流，另外这种情况又会造成较大的回流量，增加了设 备的返混效果。再加上混合作业连续、生产效率高、工艺参数可自动控制、混合 质量均匀、可满足大多数高分子材料的混合要求等诸多优点，有关其理论和实验 研究一直是广大学者关注的热点【】，双螺杆混合技术也逐渐趋向成熟，因而在 生产加工中，被广泛使用【5 - 7 1 。 图1 1t s e 的左右螺杆和啮合区( 阴影部分) f i g 1 - 1s c r e w sa n di n t e r m e s h i n gz o n eo ft w i n s c r e we x t r u d e r 图1 - 2 粒子在t s e 中的运动路线 f i g 1 - 2t r a j e c t o r i e so f p a r t i c i p l e si nt w i n s c r e we x t r u d e r 北京化工大学硕士学位论文 但是随着社会对高分子材料产品的要求越来越苛刻，在某些场合，同向双螺 杆挤出机已不能满足混合作业的高要求，例如为了大规模生产的需要，许多生产 商配置了大直径螺杆挤出机，其相对较深的螺槽可能会导致热传导性不佳的物料 塑化不均匀，这并不能通过提高转速来解决，高转速会使物料降解。增加螺杆的 长径比，在一定程度上可解决此困难，但螺杆是呈悬臂状态安装在加料端的轴承 上，过长的悬臂对轴承的寿命和螺杆的运转都会产生不利影响【8 1 。 为了突破现有混合的混合技术，追求更优的混合效果，北京化工大学在同向 啮合双螺杆挤出机的基础上，于2 0 0 6 年成功研制出了世界上第一台倒三角型排 列的同向啮合三螺杆挤出机( t t s e ) t 9 1 ，倒三角型三螺杆挤出机比双螺杆挤出机增 加至三个啮合区，见图1 3 ，物料在流道内受到的高剪切与拉伸的几率大大增加。 图l 一4 所示的是三个不同位置的示踪粒子在三螺杆挤出机的螺槽中的运动路线。 一il i fa 薹j 、- 气 ? tf ， 、_ 。：一、z 石产 ，厂：! 一j i 、0 、，j 二| 、 ： k t = 0 瞬时进入流道入口，到离开流道出口的所有微元中，停留时间 在f 和t + d t 之间的微元所占的比例，则： 【f ( t ) d t = 1 一( 1 7 ) f ( t ) 是从t = 0 瞬时进入流道入口，到离开流道出口的所有微元中，停留时 间小于t 的微元所占的比例： f ( f ) = 【f ( t ) d t ( 1 8 ) f ( t ) 的数学期望( 平均停留时间) 和方差常用于定量描述停留时间分布情况， 平均停留时间f 的意义是停留时间分布的中心，计算公式为： f = r 矿( f ) 出r 厂o ) d r = j c 0 矿o ) d t ( 1 - 9 ) 方差用盯2 表示，其意义是了物料返混能力的大小，计算公式为： 仃2 = f ( 卜妒厂( f ) 出仃们) d r = f f 2 儿) d r f 2 ( 1 - 1 0 ) 上述是时间变量连续的情况下的停留时间分布函数，对于实验取样测量r t d 分布，时间是具有一定间隔的离散变量，停留时间分布密度函数f ( t ) 变化为： | n ： 邝) = e c i a t i o - 1 1 ) ，i = 1 f 的公式变化为： 。 于= c ，c ，o ( 1 1 2 ) i = 1 ， i = 1 方差仃2 的公式变化为： n。|n。 万2 = 彳c ：f f f g - 1 ( 1 - 1 3 ) i = i，i = 1 式中，c f 时间t ，时的样品浓度，a t ，为相邻两次取样的时间间隔，m 为取样数量。 有关停留时间分布( r 1 d ) 数值模拟和实验分析方面的文献有很多。在模拟 方面，马秀清【3 8 , 3 9 1 对非啮合型、啮合型t s e 引入轴向循环段的螺杆组合进行停 留时间分布实验，研究了轴向循环段对两种挤出机轴向混合性能的影响，研究结 果表明，引入轴向循环段后，两种挤出机的停留时间的分布范围均变宽，返混能 力增加，但非啮合型t s e 的白洁能力下降，啮合型t s e 的自洁能力没有明显变 化。胡冬冬 删数值分析了不同螺杆组合对t s e 混合性能的影响，得出停留时间 分布并不完全呈正态，分布曲线大都呈右倾斜状态，且有很长的拖尾，喂料量对 停留时间分布的影响很大，喂料量一定时，螺杆转速的提高会减小平均停留时间， 中性啮合块的存在稍微降低螺杆组合的返混能力。孙士强【4 1 l 数值模拟了t s e 的 9 北京化工大学硕士学位论文 动态流场，分析了啮合盘的厚度对流场混合性能的影响，并进行了相关实验验证， 得出粒子在宽啮合块的流道内的停留时间要长于薄啮合块，即粒子有更多的几率 经历高剪切作用，两种元件下制得的复合材料弹性模量不同，宽啮合块的混合性 能好于薄啮合块，与模拟结果基本一致。c a l u m b y 等【4 2 】通过等效停留时间去卷积 法测得了同向双螺杆挤出机( t s e ) q b 不同螺杆元件的停留时间分布( r t d ) ，得出 4 5 。啮合块和正向螺纹元件比9 0 。啮合块具有更好的分布混合性能，并认为在 此基础上，可得到任意螺杆组合的停留时间分布( r t d ) 。b u r 等【4 3 】用荧光发射法 测量荧光剂香豆精3 0 在双螺杆挤出机中停留时间分布情况，依此研究混合设备 的填料的流动和混合特性，得出当填料超过6 8 时，流动出现不稳定现象。 1 4 本课题研究的意义和主要内容 本课题结合高分子材料的混合机理，确定由点到线到面，最后成体的思路， 如图1 1 0 所示，采用计算流体动力学( c f d ) 方法探讨了如何建立一套完整的三螺 杆挤出机混合性能数值评价体系，为实现设备性能数值评价和混合工艺优化提供 研究平台。 图l - l o 三螺杆混合性能数值评价体系 f i g 1 - 1 0a p p r a i s a ls y s t e mo f m i x i n gp e r f o r m a n c e 由于以往对三螺杆挤出机混合性能的数值研究缺乏相关的实验验证，在此基 础上的流场分析缺乏说服力，本文则以现有设备和软件p o l y f l o w 为实验和模 拟平台，对实验验证进行了初步探讨，通过比较实验和模拟测得的轴向压差、停 留时间分布、平均停留时间随不同工艺条件( 螺杆转速、喂料量、螺杆组合) 变化 的趋势，并通过相关性分析，得到模拟数据与实验数据的相关度，直接或间接验 证模拟的可靠性。 1 0 第一章绪论 在三、双螺杆挤出机混合特性比较中，以往文献仅通过稳态流场比较，但事 实上，物料混合的好坏与物料在整个流场内的动态历程是密切相关的，因此用稳 态流场来评价三螺杆流场的混合性能具有一定的局限性，相应地，稳态混合指标 仅仅从侧面反映流场的混合情况；另外大都数文献采用相同的出入口压差作为边 界条件，也不太符合实际情况。本文则采用入e l 流量( 入1 3 流量之比等于净流道 横截面之比) 、出口压力相同作为边界条件，在稳态流场的基础上，构建了螺杆 转过不同角度的动态模型，得到与时间相关的瞬态流场，并采用最大混合指数概 率函数、面积伸展和停留时间分布等动态评价指标，分别表征流场的分散混合性 能、分布混合性能、轴向混合性能，并结合本文定义的相关统计函数，深入定量 地比较了t t s e 、t s e 之间混合能力的差异。 最后研究了不同因素( 螺杆元件、啮合块参数、螺杆组合) 对三螺杆混合性能 的影响情况，为螺杆元件类型的选择和组合工艺的优化提供依据，对实际生产加 工，具有一定的指导意义。 原书空白页 不缺内容 第二章分析方法及相关理论 第二章分析方法及相关理论 本课题采用计算流体动力学( c f d ) 方法对倒三角型三螺杆挤出机( t t s e ) 熔体混合段的三维等温流场进行数值模拟，分析不同螺杆元件和操作条件对流场 混合性能的影响。其中，c f d 的计算方法为有限元法( f e m ) ，软件为常用的聚 合物流体分析软件p o l y f l o w 。 2 1 c f d 及其求解方法 c f d 方法是计算机科学、流体力学和数值数学相结合的产物，是以计算机 为平台，使用离散化的数学方法，对流体流动行为等问题进行数值计算和图像化 显示分析，以求解决各种实际问题的方法。其原理是通过非线性联立流体基本控 制方程( 质量守恒方程、动量守恒方程和动量守恒方程) 和描述流体流变行为的 本构方程的微方程方程组【4 4 4 5 】，并采用效率和准确度都很高的计算方法求解得到 流场的不同时间和空间上的基本物理量，如速度场、压力场、温度场等，还可根 据这些基本量计算出其他物理量，这些结果可以通过图表等方式显示，对模型的 分析和质量检查有着重要的参考价值。 c f d 的计算方法有很多种，大致可分为有限差分法、边界元法、有限体积 法和有限元法( f e m ) 【4 6 1 ，其中f e m 是目前使用率较高的求解方法。其原理是将 连续的求解域划分成一组离散单元的组合体，通过对控制方程作分片插值得离散 方程。具有适应性好，可处理极不规则的几何模型，节省内存，高计算效率等优 点。f e m 方法可分为三个阶段，前置处理，处理和后置处理，见图2 1 所示。 i 建立控制方程i i