唐光普[1]2002年在《曲线拉伸流动数值模拟基础的研究》文中研究说明20世纪40年代以来，新材料的出现和新工艺的使用在物质观念和研究方法上对传统的力学工作提出了挑战。同时，计算机技术的发展为非线性连续介质力学的发展提供了机遇。本文的研究工作就是在上述背景下提出来的，涉及了新材料的力学和新工艺的力学，同时应用了计算机技术来求非线性问题的数值解。论文研究流固物体曲线拉伸流动数值模拟的原理和方法，这个问题典型存在于聚合物抽丝及钢铁冶金连铸工艺和加工过程中，由于涉及重要而庞大的产业，因而具有重要的工程价值，又涉及近代力学多场量、多相、多态和计算技术等综合复杂问题，因而具有重要的学术价值。本文在第一章阐述了流固物体曲线拉伸流动问题的背景，历史和研究现状。第二章从连续介质力学出发推导流固物体曲线拉伸流动问题的叁维力学模型和定解问题。采用了便于数值模拟，又兼顾流固两种性质的本构方程。该本构方程是参考具有初始应力场（或残余应力场）的直线匀速运动状态而建立的空间描写形式。第叁章分别从数学的角度和物理的角度阐述了流固物体曲线拉伸流动问题求解的近似理论。第四章具体论述流固物体曲线拉伸流动问题求解的数值方法。首先建立流管元的概念，对弹性固体相关的部分采用Euler描写，并融入流体行为的描写中；以速度为变量，反推左变形张量，用于处理流固物质的定常运动，给出了控制方程和相应的变分式；以此为基础发展了一套相应的有限流管元算法。第五章讨论了流固物体曲线拉伸流动的理论和有限流管元法在工业生产领域内的具体应用。重点在于提出了有限流管元法程序实施关键问题的叁个解决方案。它们是小参数摄动展开法分离曲率影响，应用质量守恒校正截面变化和基于广义力控制方程的流动曲线迭代等叁个基本方法。其中基于广义力控制方程的流动曲线迭代方法具有重要的生产实践意义。利用发展的有限流管元算法，具体地给出了聚合物抽丝和连铸二冷弯曲段全程的数值模拟结果。第六章总结了论文的工作，提出了继续深入研究的方向。
王伟[2]2010年在《非等温非牛顿黏弹性高分子熔体流动本构行为数值模拟和实验研究》文中指出高分子成型加工过程中所涉及的应力场、压力场、温度场和化学反应效应不仅决定制品的外观、形状和质量,而且对分子链结构、超分子结构和织态结构的形成和演变具有极其重要的影响。成型加工中由流动而诱发的高分子结晶及其取向可显着提高制品的力学和光学性能。但另一方面,加工过程中时常出现的不稳定流动状态,将导致挤出物表面呈鲨鱼皮状或熔体破裂、共挤出物界面不稳定、注射制品表面有虎皮纹等影响最终制品性能和外观,因而是亟需解决的产品质量问题。研究高分子材料成型加工中的流动过程,不仅对优化工艺条件、模具结构、挤出口模、机头结构,甚至对挤出机或注射成型机的螺杆等结构设计、对节约能耗、降低成本、提高产品竞争力都起着至关重要的作用。因此,对高分子黏弹性流体流动的模拟和分析具有重要的工程实际意义。一般,高分子加工过程是在叁维非等温情况下进行的,并且材料在一些高应变和高应变率区域受到拉伸和剪切的双重作用,呈现复杂的流变行为和高度的非线性特征。另外,流动分析中经常遇到具有尖角的模具或口模,这些几何奇异点容易导致高分子流体产生应力奇异行为,从而诱发不稳定流动；同时,一些加工过程,例如注塑充填过程中还要考虑材料自由面或多组分界面的追踪,这些都会给数值模拟黏弹性流动带来很大的挑战。对成型加工过程中高分子流变行为的模拟研究,可为优化工艺条件、提高产品性能和更好理解高分子流体动力学提供科学依据,从而在高聚物结构—加工—产品叁者之间起到桥梁作用,为高分子熔体加工的多尺度或跨尺度模拟,产品的高性能化奠定基础。本研究用基于有限增量微积分(FIC)过程的压力稳定化迭代分步算法和DEVSS/SU方法,采用近年发展的能够较好描述支化高分子熔体的本构模型(XPP模型、PTT-XPP模型、MDCPP模型以及作者提出的S-MDCPP模型)模拟了高分子加工过程中常遇到的收缩流和挤出胀大流问题,以及非等温非牛顿黏性流体注塑充填过程中熔体的流动行为等,分析了数值模拟这些工程问题所涉及的难点,提出了解决对策,为进一步发展高效、健壮的数值算法提供新的思路。同时,基于数值结果分析了挤出胀大流动中存在的不稳定流动状态,为解决类似产品质量问题提供科学依据和对策。为了能准确描述成型加工中高分子熔体复杂的流变行为,本研究系统总结和分析了非牛顿黏性本构模型和黏弹性本构模型,指出了它们的局限性和不足；同时重点考察了近年由Pom-Pom分子理论发展的一些新的本构模型,如Pom-Pom模型、XPP模型、修正的XPP模型,PTT-XPP模型和DCPP模型。从数值模拟和试验研究的文献报道看,这些新的本构模型在一定程度上体现了高分子的拓扑结构,能较好地反映真实支化高分子熔体的复杂流变行为,但尚存在一些如解的唯一性和收敛性等数值求解困难和正确再现流变学现象的缺陷。因此,本文进一步提出了一个新的能方便地在现有程序框架中实现的本构模型—S-MDCPP模型,该模型克服了现有XPP、修正的XPP、DCPP等模型的一些缺点,如解的不唯一性、过度剪切变稀行为等。该模型的预测能力通过平面4：1收缩流标准问题进行了考核,发现其具有良好的数值稳定性：并且能够捕捉在高剪切和高拉仲速率下的真实流变行为,而XPP和PTT-XPP模型只能分别较好地捕捉在高剪切或高拉伸速率下的流变行为。此外,用S-MDCPP模型模拟了支化高分子熔体的挤出胀大行为,发现口模出口附近的剪切应力和主链拉伸最大,并从大分子滑移和松弛机理上揭示了可能引起挤出不稳定流动的现象。采用被许多学者认为能较好描述支化高分子熔体流动特性的XPP模型模拟了高分子加工过程中常遇到的收缩流问题,并详细讨论了不同Weissenberg数和XPP模型中不同材料参数对收缩流场的影响,可视化地给出了不同支化程度的高分子熔体在收缩流场中的拉伸分布情况。此外,还应用PTT模型模拟了高分子熔体的挤出胀大行为,数值结果与相关文献的试验结果吻合较好,从而验证了本文所采用算法的有效性和可靠性；并进一步讨论和分析了挤出过程中可能引起不稳定流动的原因,为深刻理解挤出过程中畸形挤出物的形成机理提供了有益的帮助。最后,分别采用修正的Cross-Arrhenius模型和Moldflow二阶黏度模型描述LLDPE熔体的流变行为,模拟了该熔体在非等温情况下的注塑充填流动过程；并设计了相应的注塑短射试验。由任意的拉格朗日—欧拉(ALE)有限元方法模拟非等温情况下非牛顿黏性流体的充填结果与注塑短射试验结果比较看,发现本文采用ALE方法追踪自由面的形状和位置与试验结果比较一致。充填结束时,模拟预测的充填时间与试验结果吻合较好。此外,还给出了不同充填量时流场中的速度、压力和温度分布以及不同横截面上的水平速度和温度分布；并得到了充填结束时,熔体碰壁后的速度分布。不同横截面上的速度和温度分布与相关文献对非牛顿黏性流体非等温流动研究得出的结果一致。这些依据表明本文所采用的ALE有限元方法能准确、可靠地追踪充填过程中的自由面位置和形状,为将来把该方法拓展到叁维注塑充填分析奠定了基础。
谢海玲[3]2016年在《拉伸流场作用下纤维取向的数值模拟及实验研究》文中研究指明高分子材料在过去的几十年里,凭借其优异的性能、易于加工的特点从高度专业化市场的小规模应用,发展到日常消费品中的无处不在。然而,随着石油资源的枯竭,高分子材料的发展受到遏制。废弃植物纤维/聚合物复合材料因理想的性价比、可再生性和环境友好性等诸多优点,日益受到人们的高度重视。作为具有独特性能的新型材料,纤维组分的加入致使其加工工艺难度远远超过普通塑料制品。本文采用瞿金平教授研制的基于体积拉伸流动成型的叶片挤出机,叶片挤出机的塑化和输运过程都是拉伸形变支配的,通过物料加工体积周期性变化强制物料混合混炼,具有物料受热-机械历程短,能够减少植物纤维因强剪切作用产生的降解,有利于植物纤维长径比的保持和植物纤维的取向。在周期性拉伸形变主导的作用下,纤维复合体系中纤维的取向程度、长径比变化、纤维在基体中的分散形式,以及高模量纤维对周围聚合物熔体分子链运动的影响方式都与剪切形变主导作用下的塑化输运过程不同。因此本文通过CFD分析软件POLYFLOW对叶片挤出机中熔体流动行为进行分析,得到熔体在叶片挤出机加工过程中所形成的速度场,将所得到的结果代入纤维取向分布函数和取向张量的演化方程,从而求解出植物纤维/聚合物复合体系在叶片挤出机加工过程中纤维的取向行为,另外,还研究了转子转速对纤维取向分布函数和二阶取向张量的影响规律,并通过实验对数值模拟结果进行了验证。研究结果表明,通过纤维取向分布函数和纤维取向张量两种方法所得到的叶片单元中纤维的取向结果较一致;纤维的取向与流场类型相关,而转子转速对流场类型影响较小,故几乎对纤维取向无影响;最后,通过叶片挤出机纤维悬浮流实验对数值模拟结果进行了验证,实验结果和数值模拟结果一致,证明了数值模拟方法的正确性。
石颖青[4]2012年在《叶片挤出机熔体输送段流场的数值模拟》文中研究指明在聚合物加工行业中目前普遍采用螺杆机械，如螺杆挤出机、螺杆注射机等。在螺杆机械中聚合物塑化输运过程主要是靠螺杆旋转时对物料的拖曳作用，固体输送为摩擦拖曳，熔体输送为黏性拖曳，塑化输运过程受剪切应力支配。因此基于剪切流变的螺杆塑化输运机理，普遍存在物料塑化输运所经历的热机械历程长、能耗高、设备结构大、对物料特性依赖性强等缺陷。基于拉伸流变的叶片塑化输运方法及设备，实现了正应力支配的塑化输运过程，与传统螺杆挤出机相比，具有对物料适应性强，热机械历程短，单耗低，产品性能好等特点。研究叶片挤出机中周期性熔体输送段的熔体流动行为，有助于深入揭示叶片挤出机塑化输运过程中流场特性和规律。以此为基础，研究叶片塑化输运单元的几何参数及转速对流场特性以及挤出特性的影响，有助于指导叶片挤出机的设计和工艺参数的选择。本文利用黏弹性流体动力学计算软件POLYFLOW对叶片挤出机熔体输送段一个叶片塑化输运单元的流场进行了数值模拟，结果表明，在叶片塑化输运单元中，熔体随转子转动做旋转运动的同时，由于型腔体积的变化，会产生沿挤出方向的流动。熔体区域中存在比壁面拖曳速度大的区域，熔体流动表现为拖曳流和压力流动的组合，熔体中的压力沿挤出方向降低。叶片塑化输运单元出口处的瞬时流率存在一定幅度的波动。叶片塑化输运单元中，存在沿挤出方向熔体流动速度增加的区域，表明叶片塑化输运单元中存在拉伸流动，以混合指数表征叶片塑化输运单元中熔体受到的拉伸程度，叶片挤出机中存在混合指数大于0.5的区域，最高达到0.95，说明叶片挤出机中，熔体受到剪切流场和拉伸流场的共同作用。提高转子转速、增加叶片长度、增大定子内径和增大定子与转子的偏心距，叶片塑化输运单元中熔体受到的拉伸作用增加，叶片塑化输运单元的瞬时流率或产量线性增加。但增加偏心距和定子内径时，瞬时流率的波动幅度增加。
胡长旭[5]2014年在《聚乙烯熔体黏弹性流变行为数值模拟和实验研究》文中认为随着计算机技术的快速发展，计算机辅助设计（CAD）和有限元方法（FEM）被广泛用来研究聚合物流体的复杂黏弹性流变行为和复杂流道的设计。因此，本研究将借助数值模拟这一强大工具来研究聚乙烯熔体在不同流道中的复杂黏弹性流变行为，为发展新的本构理论和指导高分子材料的成型加工提供科学依据。另外，使用双筒毛细管流变仪研究聚乙烯熔体的不稳定流动现象，进而探索其产生机理。一方面，本研究主要运用基于Pom-Pom分子理论的黏弹性本构模型（DCPP和S-MDCPP）研究聚乙烯熔体通过叁种不同流道（平面收缩流道、圆柱绕流道和十字交叉流道）的复杂黏弹性流变行为，其中DCPP模型的预测结果是使用Polyflow软件获得的，而S-MDCPP模型则用自己编制的程序进行计算。在数值计算过程中，基于有限增量微积分（FIC）过程得到压力稳定的迭代分步算法框架下，用等低阶插值单元求解流场的速度－压力－应力；为了解决本构方程的对流占优问题，我们使用了DEVSS/SU技术。（1）通过比较叁种不同流道的数值结果和Verbeeten报道的实验结果得出：上述两种本构模型均能较好地描述LDPE熔体的复杂黏弹性流变行为，但S-MDCPP模型的预测结果与实验结果吻合较好，要优于DCPP模型。随后，讨论了Weissenberg数和S-MDCPP模型中本构参数（q、r和ξ）对LDPE熔体复杂流变行为的影响。（2）在十字交叉黏弹流的分析中，建立了支化高分子主链拉伸与宏观流动时间的定量数学模型，将微观分子的主链拉伸和宏观的流场流动时间以及分子的本征拉伸松弛时间关联起来，有助于定量分析大分子的拉伸行为和松弛机理。另一方面，熔体的不稳定流动现象不仅影响制品的使用性能，还降低产品的生产效率。聚合物的微观结构决定其性能，不同的聚乙烯熔体表现出不同的不稳定流动现象，如LLDPE熔体的表观形貌表现出：光滑区“鲨鱼皮”“螺纹”状“粘-滑”转变区第二挤出光滑区熔体破裂；而LDPE熔体的表观形貌则表现出：光滑区“粘-滑”转变区熔体破裂。结果表明：与LLDPE熔体相比，LDPE既没有“鲨鱼皮”现象，也没有第二挤出光滑区。总之，聚合物熔体的复杂流动导致其分子链构象产生变化，进而表现出不同的复杂流变行为。因此，研究聚合物熔体的拓扑结构与其复杂流变行为的关系，不仅有助于发展新的本构理论和探索熔体不稳定流动的产生机理，还对优化工艺条件、模具结构设计和提高产品生产效率有着重要的科学指导意义。
晋刚[6]2012年在《聚乙烯熔体在收缩流道中的拉伸流变行为研究》文中认为聚合物熔体在压力作用下通过收缩流道将产生大应变速率的拉伸流动，这种流动在聚合物加工过程中普遍存在。尤其是基于体积拉伸形变的聚合物塑化及输运方法的提出与实现，使拉伸流动成为熔体输运过程中的主导流动形式。由于聚合物具有非常明显的非牛顿性（特鲁顿数Tr>>3）和黏弹性，在收缩入口处通常发生许多特殊的流动行为，这些行为不仅受到流道几何参数、流率、温度等外界因素的影响，还与材料的大分子链结构和性质等内在因素密切相关。因此，研究收缩流道入口附件近具有不同分子链结构的聚合物熔体的拉伸流变行为具有重要的科学价值及现实意义。通过建立典型的收缩流道理论模型，利用基于支化分子结构和管子模型的双随体Pom-Pom（DCPP）模型作为理论计算的本构方程，探讨了简单剪切和单向平面拉伸流动中，分子结构参数对该模型反映出的聚合物熔体黏度特性的影响，表明采用多模式加和DCPP模型，不仅与实际测量得到的LDPE和HDPE黏度变化规律具有良好的一致性，而且可将分子微观结构与宏观流变行为关联起来。本文选取了LDPE、LLDPE和HDPE叁种聚乙烯材料作为研究对象，通过GPC、DSC、动态流变等手段测试和表征，发现这叁种材料尽管分子链单元结构相同，但链结构差别很大，LDPE为长支链结构，LLDPE为窄分布的短支化结构，HDPE为宽分布的线性分子结构；且叁种材料具有不同的黏弹特性，LDPE熔体的弹性要强于其他的两种材料，HDPE次之，LLDPE最弱。开发并研制成功出一个可改变收缩率、可实时观察和拍摄入口流场，可采集流场中多点压力、温度的专用测量系统，该系统能过精确供料，保证了流率的稳定性；采用高速摄像及粒子影像测速（PIV）方法，可以记录流场演变过程和精确测量流场中的质点运动速度；采用多点压力测量数据，可以用于计算材料剪切和拉伸黏度特性并分析流动不稳定性。通过计算得到了毛细管和狭缝两种流道中叁种PE熔体的剪切黏度与剪切应变速率的幂律关系，再利用Binding方法得到了在毛细管和狭缝入口处的拉伸黏度与拉伸应变速率的关系，将测量结果进行对比发现毛细管和狭缝两种测量方法测得的材料剪切黏度较为接近，拉伸黏度则不尽相同，而且宽度2mm以上（宽深比大于10）的狭缝口模，不再适用于剪切黏度或拉伸黏度的测量。本文重点研究了叁种PE流经收缩流道时的拉伸流变行为，并试图从分子链结构角度探讨了入口区不同材料产生不同入口效应的生成机理，结果表明：材料弹性对于入口处的流动有明显影响，LDPE由于弹性最强，相比于其它两种材料，在入口前更早产生拉伸流动，拉伸应变速率高于其它两种材料，其进入狭缝后，流动速度会产生明显回落，表现出明显的“速度过冲”现象；LLDPE由于弹性最弱，其产生拉伸流动的起点最靠近狭缝入口，并且不发生速度的过冲；HDPE弹性介于两者之间，存在一定程度的速度过冲，过冲程度低于LDPE；利用DCPP多模式加和模型的模拟结果反映出了“速度过冲”特征以及不同支化程度的LDPE和HDPE在过冲程度上的区别，模拟结果与实验结果取得了良好的一致；熔体拉伸流动的程度随着收缩率与体积流率的增大而增大，且中对称面上各点流动速度随挤出流率或口模宽度基本呈线性关系变化；熔体弹性同时也影响入口压力降，随着弹性的增加，入口压力降明显增大，并且对于收缩率及体积流率的变化更敏感；狭缝入口区的黏弹效应显然与分子链结构有关，只有长支链的LDPE才会出现明显的角涡和唇涡，当体积流率超过一定值后，入口处的流线及角涡会不稳定变化，而具有线性分子链的HDPE和短支链的LLDPE没有角涡出现，流线保持稳定，这些现象由于分子在入口区的空间位阻效应导致的，线性分子由于主链在拉伸作用下容易沿流线方向取向而不会在入口处发生“阻塞”，因此流动稳定，而长支链分子则由于主链取向较难，分子移动容易在入口区产生“阻塞”，从而导致流线的摆动和角涡的变化。
钟磊[7]2010年在《聚乙烯熔体拉伸流动中流变行为及机理的研究》文中研究表明拉伸流动广泛的存在于聚合物材料加工过程中,熔体的拉伸流动行为将对聚合物材料的加工工艺过程和制品的最终力学性能产生重要的影响。深入了解各种聚合物材料体系的拉伸流变性能,能够有效的优化生产过程和提高产品质量。本文从理论建模、数值模拟及实验测量叁个方面全面系统的研究了聚乙烯熔体在拉伸流动过程中的行为及其机理。构建了四个聚合物熔体的拉伸黏度模型,其中,基于White-Metzner模型的拉伸黏度模型可以合理的描述熔体的剪切黏度和拉伸黏度的关系;基于Moore动力学方程的黏度模型改进了原有的动力学方程,能够准确的描述聚合物熔体的剪切流变和拉伸流变行为;引入了温度参数的PTT模型比较清晰的体现了拉伸黏度与温度之间的关系;基于Cross方程的经验模型形式简洁,适合应用于有限元模拟。在本文中,不仅利用实验数据对这四个模型进行了验证,还对模型中各个参数的作用进行了分析。利用MATLAB对入口收敛流动分析中的Cogswell模型,Binding模型和Liang模型进行了数值模拟,对叁个模型中影响入口收敛流动自然收敛角、边界流线以及涡流区长度的各个参数进行了深入的分析和比较。在FLUENT上利用基于Cross方程的拉伸黏度模型对典型的流道收缩比为4:1的入口收敛流动进行了有限元模拟,分析了由于参数变化而造成的特劳顿比(Trouton ratio)的变化对于形成的收敛流道涡流区大小的影响。用熔融纺丝法测量了低密度聚乙烯(LDPE)、线性低密度聚乙烯(LLDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)叁种聚乙烯和聚丙烯(PP)熔体的拉伸流变性能。分析了温度对于材料的熔体强度和可拉伸性的影响,进一步利用Arrhenius方程计算了四种材料的熔体强度活化能,比较了四种材料的温度敏感性。利用“局部方法”的计算结果,绘制了拉伸应力与拉伸应变速率,拉伸黏度与拉伸应变速率的关系曲线,研究了拉伸应变速率、温度和挤出速度对于拉伸应力和拉伸黏度的影响。根据熔融纺丝测量结果,绘制了材料的拉伸流变主曲线。利用主曲线对LDPE和LLDPE的拉伸流变性能进行了比较,深入的分析了比例因子b与温度和挤出速度的关系,根据b与不同温度和挤出速度下熔体拉伸曲线的对应关系,对设定条件下的熔体的拉伸黏度进行了估算,将结果与测量数据进行了比较。基于Cogswell模型,用入口收敛法测量了LDPE和LLDPE的拉伸黏度,并与熔融纺丝测量结果进行了比较。
邓霁兰[8]2010年在《组合式叁螺杆挤出机中流动和混合的数值模拟》文中提出在叁螺杆挤出机的挤出工艺中,混合元件的合理组合对叁螺杆挤出机的挤出性能有着重要影响。啮合块是叁螺杆挤出机主要的混合元件,对单独的啮合块进行模拟时,简化的出、入口边界条件在一定程度上造成模拟计算与实际挤出的偏差。将啮合块上、下游加入螺纹元件一同参与计算,可适当的解决出、入口边界条件失真的问题。同时,在模拟过程中改变工艺条件和上、下游螺纹元件的类型,对于研究工艺条件、螺纹元件对啮合块流场的影响具有指导性意义。网格划分对于叁螺杆挤出机数值模拟结论的准确性有着重要影响。通过对啮合同向旋转双螺杆挤出机中停留时间的实验验证,确定了合适的网格划分原则及网格精度。以此为基础,并结合正交实验设计方法和方差分析方法,分析啮合块类型、螺杆转速、啮合块下游螺纹元件与体积流率的变化对一字型排列组合式叁螺杆挤出机流场及混合性能的影响。通过分析平均压力、回流量、回混系数和平均剪切速率可以对各组合叁螺杆流场的轴向建压能力、分布混合能力和分散混合能力进行定量的了解。分析得到:组合式叁螺杆挤出机中啮合块的平均压力主要受流场下游螺纹元件的影响。正向、中性啮合块的回流量及剪切速率主要受螺杆转速影响,随螺杆转速的提高而提高。反向啮合块的回流量及剪切速率主要受流场下游螺纹元件影响,反向的螺纹元件使反向啮合块回流量及剪切速率提高。在对不同组合形式的叁螺杆挤出机流场定量分析的基础上得出中性、反向啮合块的混合性能好于正向啮合块。进一步对中性、反向啮合块停留时间分布、拉伸速率对数(ln? )平均值与ln?分布的模拟结果得到:组合式叁螺杆挤出机中性啮合块分布混合能力受流场下游的螺纹元件影响不大,随体积流率的提高而降低,随螺杆转速的提高而增强。反向啮合块的分布混合能力优于中性啮合块,受体积流率影响不大,随螺杆转速提高而增强。
郑泓[9]2007年在《聚合物挤出成型过程计算机模拟与流场中大分子链形态流变学的研究》文中提出聚合物挤出成型过程主要包括挤出机内物料输送、机头流道流动、口模挤出流动以及后续各种成型工艺等阶段,用于生产许多重要的聚合物材料制品,如片材、型材、纤维、薄膜、容器等。在此过程中,聚合物材料要经历复杂的热历史与流场的作用,材料的流变特性与内部结构发生了改变,很大程度上影响了材料的最终性能。研究加工条件对制品性能的影响、建立材料内部结构与宏观性能的对应关系是聚合物加工领域的当前最重要课题之一。本文采用先进、高效的计算机模拟技术,研究了聚合物材料在双螺杆挤出机内的输送过程以及叁种重要的成型工艺(纺丝、吹塑、薄膜流涎)中聚合物熔体的流动行为。重点分析并总结了挤出工艺参数对生产过程与制品性能的影响规律。同时,为了克服宏观粘弹本构模型无法描述材料内部结构变化的缺点,采用了新的一类模型——构象张量模型,对复杂加工流场中熔体的流动进行了模拟,并计算了聚合物大分子链的取向与拉伸,将模拟研究深入至内部结构中去。主要研究内容及结论简述如下:(1)利用Ludovic软件,对双螺杆挤出机内聚合物材料输送全过程进行了计算机模拟,包括固体输送、熔融及熔体输送叁个过程。通过模拟结果与实验的对比,评价并选择了适用于聚丙烯、聚苯乙烯的熔融模型。预测的压力分布、温度分布与停留时间与实测值很好地吻合,证明了模拟方法的有效性。模拟预测了挤出机内部许多流场参数的分布与变化,包括压力、温度、停留时间、粘度、剪切速率、填充率等,如同为我们揭开了“黑箱”的神秘面纱。研究了喂料速率、螺杆转速及料筒温度对挤出过程的影响。发现螺杆转速与料筒温度对挤出机内部温度场影响很大,而喂料速率则影响很小。模拟预测双螺杆挤出机内固体材料粒子熔化过程发生很快,区别于单螺杆挤出过程。研究了加工参数,如喂料速率、螺杆转速等对物料的停留时间分布的影响。发现:增大螺杆转速,停留时间减少,但RTD峰峰形基本不变;增大喂料速率,停留时间减少,RTD峰变尖锐。根据计算结果,总结了最小停留时间、平均停留时间与螺杆转速及喂料速率之间的定量关系式。这些影响规律的总结,有助于实现挤出生产过程的最优化。(2)对叁类拉伸主导的、重要的聚合物制品成型工艺进行了模拟研究,包括纤维纺丝过程、中空吹塑及薄膜流涎工艺。首先,建立了圆形纤维的2D轴对称模型,采用有限元方法对Doufas提出的适用于高速纺丝过程模拟的两相微结构流变模型进行了求解。计算结果克服了Doufas径向平均化方法的缺点,真实、准确地预测了纤维轴向与径向温度场的分布。通过对速度场、温度场的模拟结果与实测值的对比,证实了模型的预测能力。基于模拟结果,重点讨论了高速纺丝下缩颈形成的原因及大分子链被拉伸的程度。同时,对异形纤维成型过程中,纤维截面形状改变的问题进行了探讨。通过模拟及实验研究,我们认为:表面张力是引起纤维截面变化的主要作用因素。其次,建立了拉伸-吹塑连续过程的计算机模拟方法,采用一类积分型粘弹本构模型(KBKZ模型)来描述熔体的流变特性,对一实际吹塑制品的注射-拉伸-吹塑过程进行了模拟。通过计算值与实验值的对比,表明模拟能够较好地预测成型瓶子的厚度分布,并研究了拉伸速率、吹胀压力等工艺参数对瓶子厚度分布的影响。我们将计算机模拟方法应用于我们研制的改性UHMWPE料的吹塑新产品的开发过程中。通过对材料的流变性能分析,认为这种材料可以用螺杆挤出机挤出,但需要对挤出系统进行改造,以克服熔体的高粘度及打滑现象;计算机模拟预测改性UHMWPE料实现吹塑的最小吹胀压力为0.8MPa,并作为实际吹塑加工的操作压力,生产得到了UHMWPE的吹塑瓶子。此外,对保压冷却过程中温度的变化也进行了模拟分析,用来评价模具设计的质量。最后,对3D非等温粘性流体、3D等温粘弹性流体的薄膜流涎过程进行了模拟研究。考虑了薄膜厚度方向上的流动,使得流场信息更准确、全面。计算机模拟成功地预测了稳态生产线上缩颈、哑铃边这两种常见的工艺缺陷。重点讨论了冷却作用、拉伸比、流涎距离、自重、粘弹性等因素对薄膜形状的影响。发现:流涎过程中的冷却作用与重力作用均减少了薄膜收缩程度,也减少了厚度不均匀区域的面积,使得到的薄膜更均匀。对于牛顿性流体,薄膜收缩随着拉伸比与流涎距离的增大而更加严重。对于粘弹性材料,薄膜收缩幅度与拉伸比的关系则依赖于弹性的大小。当弹性较小(类似PET)时,随着拉伸比的增大,薄膜收缩幅度先增大,继而趋向一平衡值;增大弹性(类似PE),随着拉伸比的增大,薄膜收缩先增大,然后达到平衡值,继而反而减少,已在LDPE薄膜流涎生产线上观察到这种变化趋势;当材料弹性继续增大(类似PP)时,高拉伸比时薄膜收缩则呈相反趋势,即反而随着拉伸比的增大继续增加,这种预测的变化关系尚未得到实验证实。同时亦发现:增大材料弹性,有利于减少废边区域面积。(3)建立了新的耦合( u, p, C )求解系统和一种新的有限元格式来计算复杂加工流场中熔体的粘弹流动,代替传统的( u, p,σ)体系,代表了一种新的模拟方法,即先计算熔体大分子链的结构变化,即取向与拉伸,在此基础上计算宏观粘弹参数,体现了“结构决定性能”的模拟思想。对两类标准问题:收缩流和平面绕流流动进行了有限元分析计算,将模拟计算结果,包括速度分布、应力分布分别与粒子跟踪速度仪、流动双折射的实验数据进行对比。比较结果说明我们建立的模拟方法能够较好地捕获复杂流场中高聚物熔体与溶液的流动行为以及熔体内部大分子链形态结构的变化,并讨论了熔体内部结构与宏观流变性能的对应关系。衔接聚合物大分子链形态介观模型与流场有限元技术,设计开发了一个适用于计算流场中大分子链线团形态变化的数字计算平台,并命名为DAMPC(Digital Analysis of Morphology of Polymer Chains in Flow Fields),整合了构象张量模型的发展及其在实际加工过程中的应用等研究成果,克服了经典力学模型的缺陷,使得对聚合物加工过程的计算机模型深入到聚合物大分子链内部微观结构中去。这个计算平台已应用于相分离、反应加工与流动诱导结晶等研究领域。本论文的主要创新点归纳如下:1.扩展了Doufas的工作,采用两相微结构流变模型,首次考虑圆形纤维径向流动,对纤维高速纺丝过程进行了计算机模拟,解决了径向流场参数计算不准确的问题。根据模拟结果,分析了缩颈形成原因以及纺丝过程中熔体大分子链拉伸的情况。对3D异形纤维的成型过程进行了计算机模型,首次指出:表面张力是引起纤维形状变化的主要原因。。2.用构象张量代替应力张量,组成新的描述复杂流场中聚合物熔体流变行为的控制方程组,并建立了新的有限元格式。通过先求解复杂流场中大分子链结构的变化,继而计算熔体宏观粘弹性质的变化,建立了“结构决定宏观性能”的模拟方法。衔接聚合物大分子链形态介观模型与流场有限元技术,开发了一个适用于计算流场下聚合物大分子链形态演变及宏观流变性能的软件,命名为DAMPC (Digital Analysis of Morphology of Polymer Chains in Flow Fields)。利用此软件,已经开展的应用研究工作包括在平面收缩流、平面绕流、振动流等以及相分离、反应加工与流动诱导结晶理论。在所分析的流场中聚合物熔体的流动参数与实验结果相吻合,显示了理论模型与软件的适用性。3.基于流场内聚合物体系自由能的变化,建立了一个考虑大分子链的取向与拉伸对于结晶固化过程影响的动力学理论模型。模型预测的流场下结晶聚合物的流动诱导结晶时间与实验结果相一致性,证明了所建立的流动诱导结晶理论模型的正确性。
郑晓松[10]2004年在《聚合物溶液的弹性粘度理论及应用》文中研究表明针对聚合物溶液在多孔介质中流动时，在流速高于临界粘弹流速的情况下聚合物溶液的弹性拉伸显着问题，本文在国内外有关聚合物溶液粘弹性理论文献的基础上，对聚合物溶液的流变性、聚合物溶液的弹性粘度、聚合物溶液在多孔介质中的弹性粘度和聚合物溶液弹性粘度理论在聚合物驱油中的应用等方面内容进行了系统的理论和实验研究。取得了如下的研究成果： 通过HPAM水溶液流变性实验，用流变仪测定了聚合物溶液的流变性，研究了聚合物溶液流变性的影响因素。稳态剪切实验表明，聚合物溶液的剪切粘度随分子量的增高，浓度的增高而增高，随剪切速率的增高而降低：动态粘弹性实验表明，聚合物溶液的粘弹性随分子量的增加、浓度的增加而增大。 据Rouse-Bueche-Zimm(RBZ)理论，在Bird根据有限拉伸的、非线性的弹性(FENE)哑铃分子模型得到的仅适用于聚合物稀溶液的松弛时间公式的基础上，将FENE哑铃分子模型的聚合物稀溶液松弛时间公式进行了推广，建立了不仅适用于聚合物稀溶液，也适用于聚合物浓溶液的新的松弛时间公式。稳态剪切流变性实验表明，用本文建立的松弛时间公式计算的聚合物溶液松弛时间随剪切速率的变化规律，与RBZ理论得到的聚合物溶液松弛时间随剪切速率的变化规律相同。 根据聚合物流变学分子理论，将高分子模拟为FENE哑铃分子模型，在低拉伸速率和高拉伸速率条件下，推导了聚合物稀溶液的弹性粘度公式。对考虑水动力学相互作用的聚合物稀溶液，应用平衡平均Oseen张量建立了在整个拉伸速率范围内聚合物稀溶液的弹性粘度公式。对考虑水动力学相互作用的聚合物稀溶液弹性粘度公式进行了推广，建立了考虑水动力学相互作用的聚合物浓溶液的弹性粘度公式。将考虑水动力学相互作用的聚合物溶液弹性粘度与未考虑水动力学相互作用的聚合物溶液弹性粘度进行了对比，结果表明，水动力学相互作用增加了分子的拉伸程度，弹性粘度增大，弹性效应增强；考虑水动力学相互作用的聚合物溶液临界Deborah数小于未考虑水动力学相互作用的临界Deborah数。 通过HPAM水溶液在人造岩心中的渗流实验测定的压降随流速的变化关系表明：当流速高于临界粘弹流速，聚合物溶液在岩心中的压降与流速关系曲线显示出粘弹特性。在Durst等人根据FENE哑铃分子理论建立的聚合物稀溶液在多孔介质中的Deborah数和用综合阻力系数建立的聚合物稀溶液在多孔介质中的有效弹性粘度公式的基础上，对这两个公式进行了推广，建立了不仅适用于聚合物稀溶液，也适用于聚合物浓溶液在多孔介质中的Deborah数公式和有效弹性粘度公式。HPAM水溶液在人造岩心中的渗流实验表明，用本文建立的Deborah数公式和有效弹性粘度公式计算的有效弹性粘度随Deborah数的变化规律，与考虑水动力学相互作用的聚合物溶液弹性粘度随Deborah数的变化规律相同，临界Deborah数与考虑水动力学相互作用聚合物溶液的临界Deborah数大小吻合。 根据非线性Maxwell流体在平面收缩—扩张流道中流动的受力情况，建立了可视为粘弹性流体的聚合物溶液在收缩—扩张流道中的压降公式。并在Cogswell工作的基础上，将多孔介质看作由一组串联的缩扩流道并联组成的毛细管束模型，即缩扩孔隙模型，用微元分析方法，建立了可视为粘弹性流体的聚合物溶液在缩扩孔隙模型中流动的弹性粘度公式。根据HPAM水溶液在人造岩心中的渗流实验，对聚合物溶液在多孔介质中的弹性粘度与有效弹性粘度进行的对比结果表明：本文建立的有效弹性粘度公式与弹性粘度公式都可有效地表征聚合物溶液在多孔介质中弹性流动的发生和发生的程度。由于有效弹性粘度是无因次量，且含剪切粘度，基于聚合物溶液在缩扩孔隙模型中的弹性粘度物理意义更趋明显。 探讨了本文的聚合物溶液弹性粘度理论在聚合物驱油工程中的应用。HPAM水溶液在人造岩心中 摘要的驱油实验表明:在注入参数许可条件下，浓度较高、分子量较大的聚合物溶液的弹性粘度越大，因此聚合物溶液的驱油效率越高;当流速达到临界粘弹流速，流速越大，聚合物溶液的弹性粘度越大，因此聚合物溶液的驱油效率越高。说明根据本文建立的聚合物溶液弹性粘度理论来优选聚合物注入参数是可行的。用非稳定方法通过HPAM水溶液驱油实验测定了不同弹性粘度时聚合物/油的相对渗透率曲线的结果表明:随着聚合物溶液弹性粘度增加，聚合物溶液相的相对渗透率变小、等渗点处的含水饱和度增大、残余油饱和度降低，说明弹性粘度的增大，增高了聚合物驱油效率。 上述的研究成果丰富和发展了聚合物流变学分子理论、聚合物溶液渗流力学理论和聚合物驱油理论，对进一步提高和指导聚合物驱油技术具有重要学术理论意义和工程实际意义。
参考文献：
[1]. 曲线拉伸流动数值模拟基础的研究[D]. 唐光普. 重庆大学. 2002
[2]. 非等温非牛顿黏弹性高分子熔体流动本构行为数值模拟和实验研究[D]. 王伟. 大连理工大学. 2010
[3]. 拉伸流场作用下纤维取向的数值模拟及实验研究[D]. 谢海玲. 华南理工大学. 2016
[4]. 叶片挤出机熔体输送段流场的数值模拟[D]. 石颖青. 华南理工大学. 2012
[5]. 聚乙烯熔体黏弹性流变行为数值模拟和实验研究[D]. 胡长旭. 青岛科技大学. 2014
[6]. 聚乙烯熔体在收缩流道中的拉伸流变行为研究[D]. 晋刚. 华南理工大学. 2012
[7]. 聚乙烯熔体拉伸流动中流变行为及机理的研究[D]. 钟磊. 华南理工大学. 2010
[8]. 组合式叁螺杆挤出机中流动和混合的数值模拟[D]. 邓霁兰. 华南理工大学. 2010
[9]. 聚合物挤出成型过程计算机模拟与流场中大分子链形态流变学的研究[D]. 郑泓. 上海交通大学. 2007
[10]. 聚合物溶液的弹性粘度理论及应用[D]. 郑晓松. 大庆石油学院. 2004
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