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单螺杆挤出过程聚合物颗粒输送行为研究

作　者: 江帅
导　师: 何红
学　校: 北京化工大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 离散元法接触模型固体输送段压力单螺杆挤出
分类号: TQ320.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本课题采用离散元法(DEM)对挤出机固体输送段物料的输送行为进行研究。运用离散元法,以PFC(Particle Flow Code)为编程平台对挤出机固体输送段物料的输送过程进行数值模拟。挤出机加料段的物料被看作离散颗粒,物料颗粒间存在碰撞、挤压、滑移会影响整体物料的向前输送,与采用塞流理论研究物料的输送行为不同,非塞流理论更加符合实际情况。本课题研究了离散元法的接触模型,对离散元法常用的弹簧—阻尼模型以及考虑颗粒之间存在粘附力的粘附模型进行探讨和比较,并对弹簧—阻尼模型中物料碰撞的恢复系数进行相关实验,计算得到塑料恢复系数的取值。采用不考虑粘附力的非线性弹簧—阻尼模型和粘附模型两种接触模型对挤出机固体输送段物料的挤出过程进行模拟对比,讨论粘附力对挤出过程的影响,结果发现考虑粘附力,物料的挤出产量降低,挤出机内压力、物料填充率、配位数增大。采用非线性弹簧—阻尼模型对挤出机固体输送段物料的输送行为进行数值模拟。首先模拟圆筒内松密度与压力的关系,与实验对比验证了离散元法对压力预测的可靠性。接着模拟了挤出机转速与产量的关系,与实验对比,再次验证离散元法应用于单螺杆挤出机固体输送段研究的可行性。通过改变挤出机末端开度,发现开度越大,挤出机末端形成的压力越小,挤出的产量逐渐增大。保持开度不变,研究了物料与挤出机的摩擦因数对挤出产量和挤出机内压力的影响；研究发现同一挤出机,不同物料的挤出产量不同；通过改变转速,研究转速对挤出产量和压力的影响。研究发现转速对挤出机吃料影响大,转速过大会产生挤出不稳定。同一转速物料的挤出速度沿挤出方向逐渐降低,转速越大物料挤出速度越大。通过示踪粒子发现物料在螺棱推面的挤出速度比螺棱背面的挤出速度要大,同时研究了物料在挤出机内的运动轨迹。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-10
目录  10-19
第一章绪论  19-27
  1.1 挤出技术与挤出理论的发展  19-22
    1.1.1 挤出技术的重要性及其发展  19-20
    1.1.2 挤出过程简述  20
    1.1.3 固体输送理论研究进展  20-22
  1.2 离散元法的发展及其应用  22-24
    1.2.1 离散元法的发展  22-23
    1.2.2 离散元法在理论研究中的应用  23-24
  1.3 本课题研究的意义及内容  24-27
    1.3.1 本课题研究的意义  24
    1.3.2 本课题研究的内容  24-27
第二章离散元法及其接触模型  27-43
  2.1 离散元法概述  27-30
    2.1.1 接触原理  27-29
    2.1.2 运动原理  29-30
  2.2 离散元法接触模型  30-36
    2.2.1 Hertz接触理论  31-32
    2.2.2 Mindlin-Deresiewicz(MD)接触理论  32-34
    2.2.3 线性弹簧—阻尼模型(LSD)  34-35
    2.2.4 非线性性弹簧—阻尼模型(HSD)  35-36
    2.2.5 弹性耗散力—粘附力模型(粘附模型)  36
  2.3 塑料颗粒碰撞实验与模拟对比  36-42
    2.3.1 塑料颗粒碰撞实验  37-39
    2.3.2 塑料颗粒碰撞模拟  39-42
  2.4 小结  42-43
第三章固体输送段粘附模型的应用计算  43-57
  3.1 几何边界的构造  43-44
  3.2 颗粒的生成  44-47
  3.3 接触类型判断  47
  3.4 固体输送过程参数计算  47-49
    3.4.1 流量  47-48
    3.4.2 压力  48
    3.4.3 填充率  48-49
  3.5 计算流程图  49-50
  3.6 时间步长的确定  50-52
  3.7 计算结果  52-56
    3.7.1 模拟与实验对比  52-53
    3.7.2 粘附模型与非粘附模型对比  53-56
  3.8 小结  56-57
第四章固体输送段物料输送行为分析  57-83
  4.1 物性参数和设备参数  57-58
  4.2 计算结果验证  58-60
  4.3 挤出产量及其影响因素讨论  60-65
    4.3.1 挤出机末端开度变化  60-61
    4.3.2 转速对挤出产量的影响  61-62
    4.3.3 摩擦因数对挤出产量的影响  62-64
    4.3.4 挤出机几何尺寸对挤出产量的影响  64
    4.3.5 不同材料挤出产量的对比  64-65
  4.4 填充率及其影响因素  65-69
    4.4.1 转速对填充率的影响  65-66
    4.4.2 挤出机末端开度对填充率的影响  66-67
    4.4.3 物料与机筒摩擦因素对填充率的影响  67-68
    4.4.4 固体输送段长度对填充率的影响  68
    4.4.5 配位数与压力的关系  68-69
  4.5 挤出机内物料速度的分布  69-75
  4.6 压力及其影响因素讨论  75-80
    4.6.1 转速对压力的影响  75-76
    4.6.2 挤出机末端开度对压力的影响  76-77
    4.6.3 摩擦因数对压力的影响  77-78
    4.6.4 固体输送段长度对压力的影响  78-80
  4.7 小结  80-83
第五章结论与展望  83-87
  5.1 结论  83-85
  5.2 展望  85-87
参考文献  87-91
附录  91-117
致谢  117-119
发表的论文  119-121
作者和导师简介  121-122
附件  122-123

单螺杆挤出过程聚合物颗粒输送行为研究

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