数值模拟的混合特征偏心转子挤出机不同的工艺条件和结构参数

文摘

数值模拟与计算流体动力学分析软件POLYFLOW进行调查的影响,不同的工艺条件和结构参数对转子偏心挤压机的混合特征。剪切强度和拉伸流动加强,当转速增加,但材料在挤出机的时间会减少。同时,半径和偏心距的增加可以有效地促进混合性能。相反,混合能力的增加减少。结果可能是有用的优化结构设计和指导生产。

1。介绍

在挤出加工过程中,挤出机的混合特征直接关系到产品的质量。为了提高高分子材料的混合效果和产品性能、偏心转子挤出机(之前)是什么发明的et al。1]。塑炼和输送理论是基于拉伸流变学是完全不同的从传统的螺杆挤出机2]。如图1,之前由一个定子和一个偏心转子在定子内腔的处理。偏心转子由多个交替处理螺旋段和直线段,和定子腔由多个交替处理螺旋段和直线段对应的转子。在聚合物加工、偏心转子将被迫绕自己的轴旋转的圆形腔定子以同样的速度,但相反的方向由于定子的内腔的结构性限制。定子和转子之间的材料接收脉冲体积变形时周期性的压缩和释放,从而完成塑炼和输送过程由连续伸长流。

目前关于之前实验研究证明,这种创新的设备具有能耗低、容积式运输、分散混合能力强,适应性广。吴et al。3,4)使用之前制造聚l丙交酯)(丙交脂)/ organo-modified蒙脱土(OMMT)纳米复合材料在不同的OMMT含量。结果表明,OMMT纳米粒子均匀分散在丙交脂矩阵,主要存在于夹层模式。OMMT的插层和剥离过程之前可能是双面表皮脱落,这是更有效的比逐层剥落机制基于剪切流。OMMT纳米颗粒有良好的分散和拉伸变形的作用下夹层影响,这提供了一个很好的处理方法提高丙交脂和扩大其应用程序的属性。曹et al。5)加工超高分子量聚乙烯(UHMWPE)之前没有任何加工助剂,然后与传统旋转分批搅拌机相比基于剪切流。形态和流变特性验证技术基于拉伸流动可以有效减少缺陷和产生更多的融化均匀形态挤压内样本相对于混合传统浴。样品准备下一个拉伸流动的结晶度低于加工剪切流。林(6)首先介绍了之前准备PP / POE混合,研究坡比例的影响,转速和DCP内容对PP / POE共混的结构和性能。结果表明,体积之前产生的波动拉伸流动分散混合能力强,使坡可能在PP基体分散均匀。力学测试表明,PP / POE混合最优值的一般力学性能坡含量为30%时,转速45 r / min。的DCP既能带来坡交联和PP降解。随着DCP内容的增加,PP逐渐增加,结晶的晶体大小越来越完整。数值模拟方法是一个重要的方法,研究挤压加工。陈等人。7)使用POLYFLOW分析速度剖面和拉伸三转子横截面具有不同几何图形之间的关系揭示转子横截面的几何形状和混合能力。转子几何与增压系数量化和分布是数值求解粒子跟踪技术。结果表明,较大的转子横截面混合能力更强。减少尖角翼尖的或宽度 ,以及增加最大间隙H0,诱发的增加 ,并进一步导致混合能力的提高。转子几何量化与将直观揭示转子几何和混合能力之间的关系。徐et al。8)提出了一种新的映射熔体流动的数值模拟方法在复杂的共转双螺杆挤出机的输送元素。输入导出的数据后从POLYFLOW流场,利用自主研发的代码来描述混合行为在不同旋转速度的螺旋元素。平流被动的进化粒子群模拟了四阶龙格-库塔方法和跟踪研究了混合螺杆转速对分配的影响。结果表明,混合是高度依赖于初始位置是否粒子组首先放置接近或远离互相啮合区。程等。9)进行粒子跟踪技术来模拟混合过程的高粘性牛顿流体在水平自洁双轴的捏和机。有限元法的结果证明了卧式双轴的捏和机是高效混合高粘性流体由于互相啮合的揉捏。之间存在着强烈的互相结合交互捏条安装在转动轴的重叠区,从而破坏集群,促进物质交换的角位置。

之前在研究主要集中在理论描述的处理,制备和研究形成的复合材料之前。然而,我们知道没有之前的混合数值模拟研究和混合过程的可视化。需要使用数值模拟研究独特的混合结构和性能之间的关系。在这项研究中,有限元计算流体动力学(CFD)分析软件POLYFLOW (ANSYS, Inc .)、美国)是用于执行聚合融化流动特性的数值模拟熔体输送段之前。之前的混合特征的数值模拟进行了聚合物熔体流动特性基础上,通过粒子跟踪应用。分散混合和分配混合特性进行评估通过使用统计后处理器程序POLYSTAT (ANSYS, Inc .)、美国)。通过修改转速、半径、螺距和偏心率的数值模拟模型,工艺条件和结构参数的影响之前的混合特性进行了研究。我们认为,研究结果可用于优化结构设计和指导生产。

2。数值模拟

2.1。模型和控制方程

考虑模型的对称性和周期性,只有2球转子几何模型是建立减少长度的计算成本模拟。简化几何模型如图2。

转子的初始位置和半径位于顶部的定子内腔的流体场。之间的距离中心的转子和定子的中心偏心率是2倍 。定子内腔的间距是2倍的转子 。转子和定子之间的间隙是0.3毫米。探讨了结构参数对混合性能的影响通过改变半径 ,偏心和球场 。

如上所述,偏心转子顺时针绕着它的轴旋转右手坐标系,并逆时针定子的中心。旋转的速度和革命速度产生相反的方向但相同的大小。速度之间的关系中心点的转子和时间可以描述如下:

这个复杂的运动可以指定使用一个用户定义的函数(UDF)。与此同时,模型被编织成六面体的元素在ANSYS的预处理程序策略下,Inc .,如图3。

模型的网格与网格叠加处理技术简化网格生成和避免任何再啮合或滑动网格技术。有必要完善整个网格尽可能改善网格的质量,因为螺旋结构的定子腔和转子模型很容易导致高变形的三维网格。此外,厚度在当地边界地区的差距在转子运动只有0.3毫米。为了保证仿真的准确性,边界层的大小应该增加沿径向的定子空心墙和转子外表面。最后,512000年的定子腔网格元素和顶点,526305和327680个元素的转子啮合和338065个顶点。“EquiAngle倾斜”策略是0 - 0 - 0.45和0.4,分别,这表明,网格质量好。“EquiAngle倾斜”是一个指数来评估网格质量。越近,趋于0,网格质量越好。在最初的时候,POLYFUSE模块用于将转子啮合和定子腔网格,和转子啮合搬到定子腔顶部的初始位置,两者之间的差距。流领域包括定子和转子之前是由聚合物熔体的模拟。

执行熔体流动特性的数值模拟之前,进行了一些假设如下:(1)流动是层流。(2)等温流动。(3)流体是不可压缩的和纯粹的粘性,nonnewtonian。(4)无衬在墙附近。(5)忽略惯性和引力。

基于数值模拟的假设,控制方程可以描述如下:

基于上述假设控制方程如下:

在哪里是速度矢量;是应力张量;熔体压力;熔体粘度;是应变率张量;是转置。和流动域的边界条件模拟如下:流入和流出: ;定子内壁: ;转子:定义为可动部分,运动定律被定义为UDF。

在哪里是正常的,切向力,是正常的速度,切向速度。在混合仿真任务,1000材料点位于最初流入,定子是nonpenetrable的内壁。

2.2。材料和方法

在本文中,我们选择页(N-Z30S、中石化广州分公司)作为模拟材料。为初始近似,PP熔体被简化为一个等温和广义牛顿流体Bird-Carreau法律关系描述其剪切稀化行为。

在哪里剪切粘度,infinite-shear-rate粘度,zero-shear-rate粘度,是自然的,剪切速率和幂律指数。Bird-Carreau法中的参数在旋转流变仪确定如下: , , 和 。剪切粘度曲线的拟合曲线Bird-Carreau模型如图4。

本文使用瞬态,等温模型和迭代解,mini-element插值用于速度,压力的线性插值,Pichard插值的粘度。离散化方程(2)- (6),使用隐式欧拉方法求解离散方程。

许多方面的特征提出了混合多年来,没有一种方法能够量化混合为每个过程的所有方面。给定一个运动 最初的地方 对于一个无穷小材料线段位于位置在时间应变张量在哪里吗 ,材料拉伸的长度的线被定义为 。然后当地的混合效率然后定义为(10,11]:

应变率张量在哪里是对称的速度梯度张量的一部分。在混合效率定量描述拉伸率,可以被认为是部分的能量消散局部用于弹性流体元素。时间平均效率被定义为(12]:

对于三维流动,我们定义一个无限小的表面”“与一个正常的方向 。随着时间的推移,这种表面变形;在时间 ,这个表面是指出“”,一个新的正常的方向 。该地区延伸变形表面的比例”“在时间 ,在最初的表面””, ,然后我们有(13,14]:

拉伸流有效得多比剪切流滴分手。为了估计问题的分数通过扩展,混合指数是定义如下15,16]:

在哪里等效剪切速率,涡度矢量的大小。混合指数的范围可以从0到1。本地(0)流平推流;为0.5,流动是本地一个纯剪切流;在1,是当地一个纯拉伸流(流17,18]。

内的流场的混合部分之前被POLYFLOW模拟。流场计算后,混合使用混合模块程序执行的任务是计算轨迹的1000材料点位于最初在熔体输送的入口处。然后,流内的混合特征参数域进行了分析使用POLYSTAT统计模块评估当地的价值分别混合特征参数。

3所示。结果与讨论

3.1。混合过程的可视化

POLYSTAT的提取功能可用于观察的轨迹跟踪粒子每时每刻,结果可用于评估流场中粒子的分散。的图像跟踪粒子在一个旋转周期如图5。这个模拟的参数如下:半径 ,球场 ,偏心 ,转速 。美联储1000年跟踪粒子不同的颜色瞬间融化在0年代的流入。五个不同颜色的粒子代表不同的材料。粒子逐渐开始分散与转子的转动。旋转后时期,不同颜色的颗粒有良好的分散效果。这表明之前有一个伟大的分散能力。

相邻点之间的距离的分布函数在不同的时间可以计算图中6。

在开始,所有点都接近:对应于黑峰曲线在左边的图表。接下来,点分布,粒子之间的距离增加转子的转动。他们inter-distance增加导致扩大和压扁的分布函数。这表明随着分布的改善,在挤出机粒子的分布是随机的。

的百分比显示的结果应用数理统计的混合特征参数。在统计、百分位是一个变量的值低于一定比例的观察。例如,如果最大剪切速率对应于第十百分位是100 / ,这意味着经历的最大剪切率10%的颗粒小于或等于100 ,和最大剪切速率大于100 / 90%的粒子 。摘要不同转子转速的影响和结构参数对混合性能,研究了基于最大剪切率、拉伸率、时间平均效率,混合指数和停留时间分布。结果显示为10%、50%、90%百分位数曲线给出一个清晰的混合特征参数的分布。三个百分位数代表最大的,中间和较小的值,分别。

3.2。转子转速对混合性能的影响

百分位的混合特征参数与不同的旋转速度旋转周期之后被选中。速度设置为15日,25日,35岁,45岁和55 r / min。和的基本维度模型如下:半径 ,球场 ,定子和转子之间的偏心 。混合特征参数与不同转速的值在图所示7。

图7显示了最大剪切速率和最大拉伸速率下不同百分位数的粒子经历了不同的旋转速度。随着转速的增加,最大剪切速率和拉伸率逐渐增加的三个百分位数。百分比为50%时,最大剪切速率和拉伸率增加了大多数来自35个/分钟到45 r / min。这表明一半的粒子经历了最快的增长最大的拉伸率和剪切率。百分比为90%时,最大剪切速率和拉伸速率的增加有经验从35 /分钟到45 r /分钟和45 r /分钟55 r / min是最快的。提高混合性能的速度通过比较分析三个百分位数时最明显的转速是45 r / min。

的最长时间平均效率和混合指数经历了粒子在不同旋转速度下的三个百分位数图所示8。图中所有的最长时间平均效率治疗是大于0,表明几乎所有粒子经历了拉伸流动。在第90个百分位,最大时间平均效率大于0.37的最后一个周期,这意味着在这些粒子大约37%的机械能用于生成伸展。当速度45 r / min,机械能用来拉伸最融化。最大转速是亲密的混合索引第十百分50百分位。最大混合索引在不同速度大于0.67在第90百分位,这意味着更多的粒子经历拉伸流。在第90个百分位,最大混合指数显示的曲折变化速度增加,并达到最大45转/分的速度。

当转速增加,流场的强度加强,但材料在挤出机的时间将减少。因此,停留时间分布应该考虑在评价混合性能。

有超过一波高峰在每一个停留时间分布曲线,表明粒子离开出口一批。和第一波高峰的时间在每个曲线在3/4旋转。此外,停留时间分布的总体宽度缩小与转速增加。15 r / min的停留时间分布和25 r / min显然比其他旋转速度,和r / 45分钟的停留时间分布宽度大于35 r / min或55 /分钟通过观察停留时间分布曲线峰值的宽度在图中9。

在一般情况下,剪切速率和拉伸速度增加转速的增加,和最快的增加从35 /分钟到45 r / min。混合指数和时间平均混合效率显然不受转速的影响,混合指数和附近的时间平均混合效率达到最大45 r / min。之前的材料的停留时间缩短速度增加。45 r / min的停留时间更长相比35 r / min和55 r / min。总之,之前有最好的混合性能,当转速是45 r / min。数值模拟的结果与实验结果一致的林6]。他利用偏心转子机处理PP / POE(70/30)混纺。在PP POE弹性体粒子的混合矩阵的特征是SEM和力学性能测试。通过实验,发现混合的效果是最好的转速时45 r / min,这与数值模拟的结果是一致的。它验证了数值模拟方法的可靠性研究偏心转子挤出机的混合性能。

3.3。转子半径对混合性能的影响

设备的结构性因素对实际应用有重要影响的塑料加工设备。为了观察转子半径对混合性能的影响之前,选择不同的半径值如13、15、17、19、21毫米。转速是45 r / min和其他结构性因素是相同的基本模型。转子半径的影响最大剪切速率和拉伸率如图10。

有一个明显的提高最大剪切速率和拉伸率增加90,和细微的变化在第十和第50百分位数。粒子的比例在高剪切速率和拉伸速率增加随着半径的增加,特别是延伸率增加更加明显。这是因为半径的增加会增加转子的径向长度而转速和其他结构参数保持不变。转子的体积和重量将变得更大,和转子的力量融化将会以同样的速度,因此,最大剪切速率和拉伸速度的粒子将会增加。高剪切速率和拉伸速率对材料的分解成小颗粒。

的影响半径的最大时间平均效率和混合指数,如图11。在第十百分位和50百分位的最长时间平均混合效率和混合指数随转子半径的增加没有明显变化。但最大时均混合效率和混合指数在第90百分位显示上升趋势。同时,最长时间平均混合效率和混合索引各种百分位数分别为几乎所有高于0和0.5,说明有很强的拉伸流场在不同的半径。因为尽管几何模型的大小改变,一个强大的拉伸流场仍然可以生成基于拓扑结构和运动规律不变。

从图可以看出12停留时间分布在不同半径的治疗几乎同时发生。因此,我们可以作出结论,半径的变化对停留时间分布几乎没有影响。总之,最大剪切速率、拉伸率、时间平均效率和混合指数增加了90,但是在10日和50百分位数值略有改变当半径增加。半径的变化可以显著影响到上限的混合特征参数表明半径的增加可以促进混合之前的性能。与此同时,有一个特别小的改变对停留时间分布的影响半径。

3.4。转子在混合特性的影响

为了研究沥青对混合性能的影响之前,球场被选为12、14、16、18日和20毫米。正如先前提到的控制变量法,其他条件保持不变。例如,有转速45 r / min,半径 ,球场 ,偏心 。影响转子螺距最大剪切速率和拉伸率如图13。

音高的变化,最大剪切速率和拉伸率变化在10日和50百分位。可以看出,最大剪切速率和拉伸速率在第90百分位下降,下降的速率是不同的表示,节距的增加减少了之前的混合性能。这是由于这样的事实:螺旋曲面的曲率在转子和定子腔减小和融化力随转子的节距的增加而偏心率和转子的半径不变。

的最长时间平均效率和混合指数经历了由粒子在不同场地图所示14。最大时间平均效率降低波动但没有显著变化。最大混合指数在不同的音高下降在90和50百分位数值,这意味着在熔体拉伸流的比例逐渐下降。这可能是与定子和转子的螺旋行安慰从陡峭的增加。当球场无限增加,转子和定子腔的几何形状接近圆柱体。这时,融化减少的压力波动,使张力变形和拉伸流体积减少。

几乎没有改变下的停留时间分布曲线在图不同的音高15。因此,无论场上如何改变,停留时间分布几乎是相同的。总之,最大剪切速率、拉伸率、和混合指数显示出了下降的趋势在第90百分位,这表明音高的增加可以减少混合之前的性能。

3.5。偏心率对混合性能的影响

的偏心转子和定子之间的一个关键结构参数之前。离心率的大小直接影响到塑料熔体在加工过程中体积变化。偏心度被选为1.0,1.5,2.0,2.5,和3.0毫米。偏心的影响最大剪切速率和拉伸率如图16。

有一个明显的增加的最大剪切速率增加50和90百分位数。这不是明显的最大剪切速率改变第十百分位。第90个百分位的最大拉伸速率明显增加。粒子的比例在高剪切率和拉伸率与偏心率的增加增加。当偏心距的增加,钱伯斯在转子和定子之间的高度腔增加沿径向方向,和转子和定子腔的几何形状变得更加犀利,凸。因此,在融化之前产生的力增加,提高混合效果随着偏心率的增加。

的最长时间平均效率和混合指数在不同怪癖如图17。它可以发现明显的图的最长时间平均效率和混合指数各百分位数增加。离心率增加时,转子的径向旅行和离心惯性力增加,所以混合的最长时间平均效率增加由于机械耗散作用于拉伸流场。偏心率的增加会增加横截面的轴向偏心转子和定子腔的体积变化率封闭室增加熔体强度脉冲体积变形,因此拉伸流动增加。上面的解释表明,增加离心率有利于提高混合性能。

从图可以看出18的偏心对停留时间分布几乎没有影响。停留时间的分布几乎是无关紧要的结构性因素,但转速影响很大。

4所示。结论

不同转子转速的影响和结构参数对混合性能,研究了基于混合特征参数如最大剪切速率、拉伸率、混合指数、时间平均效率和停留时间分布。剪切强度和拉伸流动加强,当转速增加,但材料留在之前的时间会减少。之前有最好的混合性能,当转速是45 r / min整体考虑,因为它有最高的流强度和最佳停留时间分布。在结构参数方面,半径和偏心距的增加可以促进混合之前的性能。相反,混合能力的增加减少。与此同时,有一个特别小的影响停留时间分布与结构参数的变化。

数据可用性

可以按照客户要求所有的数据都包含在本研究通过与相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是国家重点支持的研究和发展项目批准号2016下的中国yfb0302302和国家重点实验室的材料模具加工和技术华中科技大学在格兰特p2018 - 009。

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