胶料挤出与混炼过程中非等温流动的数值模拟

发布时间：2017-12-29 21:10

  本文关键词：胶料挤出与混炼过程中非等温流动的数值模拟　出处：《中国科学技术大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：胶料挤出与胶料混炼是汽车轮胎行业生产中的两道关键的工序,螺杆挤出机和橡胶密炼机则是相应的生产设备。两道加工工序都涉及到胶料内部含有复杂运动部件并伴随着极大粘性生热的复杂热力耦合问题,直接采用试验手段研究胶料挤出与混炼过程会很费时费力,在这样的背景下,本文采用数值模拟方法对轮胎工业中的挤出和混炼两道工序进行了一些初步研究。本文的主要内容有:给出了描述胶料流变行为的数学模型和利用数值方法模拟胶料挤出与混炼过程的求解策略。根据胶料的流变特性,采用Bird-Carreau模型和Arrhenius shear stress方程分别表征了胶料粘度随剪切速率和温度的变化,拟合结果表明该流变模型与测试结果吻合较好。此外,建立了基于网格重置技术的数值模拟控制方程,并给出了完整的求解分析流程。建立了单螺杆挤出过程非等温流动的几何模型并给出了相关边界条件和初始温度条件。在此基础上求解了 20RPM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,本文通过模拟发现主、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。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。建立了混炼过程的几何模型并给出了相关边界条件和初始温度条件。在此基础上,求解了混炼过程中胶料的速度场、剪切速率、压力场以及混合指数。速度场结果表明,进料口与卸料门处的速率总是相对较小,说明该区域的胶料得不到充分的搅拌;轴向速度场结果表明了混炼过程中轴向回流的存在。压力场结果表明,最大压力出现在螺旋棱的楔入区,最小压力出现在螺旋棱的背压区。混合指数结果表明:两转子之间的混合区以拉伸流动为主,螺旋棱与混炼室壁之间以剪切流动为主。利用组分输运方法求解了混炼过程中密炼室内的浓度变化,并进行了定量表征,以此等效混炼过程中炭黑颗粒等增强相分布混合过程,结果表明0～12s内浓度均化速度非常快,12s～25s均化速度减缓,36s之后几乎看不出变化。此外,本文还利用示踪粒子法求解了混炼过程中的分布混合,结果表明示踪粒子法与组分输运取得的结果相一致,但是示踪粒子法不需要考虑组分的自身扩散作用,且计算成本较小。求解了混炼过程中的粘性生热,并以此给出了混炼过程中胶料整体的温升曲线。计算结果表明胶料在混炼过程中温度基本是随着时间线性上升的,混炼结束时的总温升约为32℃,与工厂实测结果基本吻合。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ330.63;O35

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本文编号：1351884