偏心转子挤出机流场和混合性能的数值模拟与实验

发布时间：2020-05-24 21:27

【摘要】：偏心转子挤出机是一种基于体积脉动塑化输运原理的聚合物新型成型装备,其独特的几何拓扑结构和复杂的运动规律可以实现体积拉伸形变作用支配的塑化输运过程,具有较好的混合能力。鉴于其加工原理的特殊性,采用数值模拟方法对偏心转子挤出机的流场和混合性能进行研究,能够直观展示物料的混合过程,对偏心转子挤出机的工艺优化和结构设计具有重要的参考价值。本文首先对偏心转子挤出机的基本结构、工作原理和数值模拟的基础进行了简要阐述,并利用计算流体动力学软件POLYFLOW对偏心转子挤出机熔体输送段的流场进行数值模拟,详细分析其流场的分布特点,通过计算偏心转子挤出机在不同工艺条件、结构参数下的容积效率,探索不同因素对其熔体输送效率的影响规律,然后在流场模拟结果的基础上运用粒子示踪法对混合性能进行数值模拟,使用后处理模块POLYSTAT统计各混合特性参数,通过改变转速、转子半径、偏心距、转子螺距和间隙研究各因素对偏心转子挤出机混合性能的影响,最后利用实验对模拟结果进行了验证。研究结果表明偏心转子挤出机的容积效率和熔体泄露程度随转速的增加变化不明显,但当转子半径和间隙增大时,容积效率逐渐减小,泄漏程度增加,相反的,当转子螺距和偏心距增加时,容积效率逐渐增加,熔体泄漏程度减小。通过分析示踪粒子在一个转动周期内各混合特性参数的概率分布函数、概率密度函数、百分位数变化规律,发现随着体积拉伸形变作用时间的增加,物料在偏心转子挤出机中的混合效果越来越好。通过分析不同工艺条件和结构参数下各混合特性参数的变化趋势,发现粒子在偏心转子挤出机中的停留时间分布几乎不受结构参数影响,但受转速影响较大。当转速增加时,粒子停留时间减少但流场强度增加,在转速为45r/min时粒子经历的最大剪切速率和最大拉伸速率增加最快、最大时均混合效率和最大混合指数为极大值点,此时混合效果最佳;当增加转子半径和偏心距时不同百分位数下各混合特性参数逐渐增加,说明增加转子半径和偏心距有利于提高偏心转子挤出机的混合性能;当转子螺距和间隙增加时各混合特性参数减小,表明转子螺距和间隙过大将会削弱偏心转子挤出机的混合性能。利用偏心转子挤出机在不同转速下混合性能的对比实验,发现实验结果与本文的数值模拟结论一致,验证了数值模拟方法的可靠性。
【图文】：

螺杆式挤出机塑化输运过程示意图

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或者利用销钉、设置屏障改变螺杆结构来改善螺杆式挤出机的些尝试取得了一定的成效，，但是仅靠改变螺杆数量和结构无法真正解决本机理所带来的问题[15]。聚合物新型成型装备了解决传统螺杆式挤出机传热传质效率低、混合分散效果差等问题，学剪切流变到振动剪切流变进而到体积拉伸流变塑化输运机理的积极探索批聚合物新型成型装备，如电磁动态塑化挤出机、叶片挤出机和偏心转子南理工大学瞿金平教授发明的电磁动态塑化挤出机是一种基于振动剪切杆挤出机，通过引入外激振磁场，可以使螺杆在恒定转速的基础上以不生振动，从而使物料体积发生周期性变化，物料除了受到剪切作用之外动产生的压缩和拉伸作用[18-20]，如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ315

【参考文献】