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嵌入式行星螺杆挤出机内流动与混合行为研究

作　者: 王小龙
导　师: 徐百平；刘跃军
学　校: 湖南工业大学
专　业: 材料学
关键词: 聚合物加工数值模拟混沌混合嵌入式行星螺杆
分类号: TQ320.52
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

单螺杆挤出机结构简单、易于制造、成本较低,因此在聚合物加工中的得到了广泛应用。但是普通的单螺杆挤出机由于其对物料的混合效果较差,制约了其发展。通过研究混沌理论在流体力学中对于混合过程问题的研究进展,发现混沌对流运动对于流体的分散效果能够优于常规的层流混合,国外已有将混沌理论引入研究聚合物加工领域中的报道,发现混沌流动的效果能大大提高聚合物产品的性能。国内对于此方面确未见报道,因此本课题开展混沌动力学描述聚合物加工成型过程的研究有着重要的科学与实际意义。本研究基于一种新型的—嵌入式行星螺杆挤出机为研究对象,通过FLUENT软件对普通单螺杆及四种不同的嵌入式行星单螺杆模型的进行了数值模拟,得到了模型中流场速度、压力的分布规律,表征了不同螺杆模型的挤出特性,发现嵌入式行星螺杆内压力和速度都发生波动。根据计算得到的速度与压力值,得到了螺杆流场内的剪切速率、分散准数和停留时间分布,分析了行星螺杆个数、大小和主螺杆螺槽深度对物料的混合效果的影响。通过粒子示踪技术,表征了嵌入式行星单螺杆内混沌流动的状况,发现单纯的混合强度表征手段不能完全正确的表征流场混合效果,缺少了流动过程的描述。结合数值模拟的结果,在第1代嵌入式行星螺杆挤出机基础上,研制1.5代的挤出机,分别使用该机器上和双螺杆挤出机加工CaCO3/LLDPE填充体系,通过扫描电镜观察挤出制品的微观结果,分析了物料的混合效果,发现拥有较小长径比的嵌入式行星螺杆能达到较大长径比双螺杆的混合效果。本研究通过最新的仿真技术研究,为新型螺杆元件的设计提供了一定依据,缩短了螺杆元件的开发周期。通过研究发现嵌入式行星螺杆不但拥有了单螺杆稳定的挤出特性,而且还兼备了双螺杆强剪切的特点。本研究初步的引入了混沌混合的概念,为聚合物加工领域的扩展提供了新的思路。

嵌入式行星螺杆挤出机内流动与混合行为研究

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