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混炼胶在挤出加工过程中的流动和传热特性研究

作　者: 周贵斌
导　师: 李庆领
学　校: 青岛科技大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 混炼胶传热流动挤出导热系数比热数值模拟
分类号: TQ330
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 95次
引　用: 2次
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内容摘要

本文对混炼胶在挤出加工过程中的流动及传热特性进行了理论分析、计算机仿真模拟和数值计算,并对混炼胶的热物性进行了实验研究。在理论分析部分,本文应用流体力学、传热学的基本理论,以销钉机筒单螺杆挤出机挤出段的粘流态混炼胶为研究对象,对挤出过程中的胶料流动特性以及传热特性进行了深入地理论分析;通过必要的假设和简化,总结和建立了胶料在挤出段的物理数学模型,并给出了相应的控制方程。在实验研究部分,对多种混炼胶的比热容和导热系数特性进行了测试,得到了比热—温度及导热系数—温度关联式,这些物性参数是接下来计算机仿真模拟和数值计算所必需的。同时,对胶料中炭黑含量对热物性的影响进行了探讨,结果表明:比热容随炭黑质量份数的增加近似按线性规律增大,但炭黑含量对导热系数的影响无明显规律可循。在计算机仿真模拟和数值计算部分,本文从熔体输送理论的基本假设和边界条件出发,对销钉机筒单螺杆挤出机结构进行合理简化,应用有限元分析软件ANSYS模拟分析了销钉机筒单螺杆挤出机螺槽横截面(无销钉、有销钉以及销钉布置位置变化时)内混炼胶的流动状态。结果表明,销钉的存在对改善胶料的混合效果、热量的传递以及消除流场中心零速区有决定性作用。同时,采用二维顺流模型并考虑温度场—剪切速率—表观粘度耦合效应,通过数值计算求得了混炼胶在挤出机螺槽中温度分布,并应用仿真软件MATLAB对其实现了可视化。同时,文中也探讨了各种因素对胶料平均温度和最大温差的影响。结果表明:非牛顿特性、螺槽几何结构对胶料挤出过程中的温度分布有着显著影响;平均温度和最大温度随着螺槽宽度和高度的增加而增大。

全文目录

中文摘要  3-6
目录  6-9
符号说明  9-11
1 绪论  11-22
  1.1 聚合物的应用与特性  11-13
    1.1.1 聚合物材料的应用及意义  11
    1.1.2 聚合物的性质  11-12
    1.1.3 混炼胶的概念及特性  12-13
  1.2 聚合物加工过程  13-14
    1.2.1 聚合物制品的加工工艺过程概述  13-14
    1.2.2 挤出加工  14
  1.3 研究胶料在挤出过程中流动和传热特性的意义  14-16
    1.3.1 温度控制在挤出加工过程中的重要性  14-16
    1.3.2 橡胶挤出机设计和优化的需要  16
  1.4 国内外研究述评  16-20
    1.4.1 数值模拟在聚合物加工中的应用  16-17
    1.4.2 销钉机筒冷喂料挤出机中胶料流动特性的研究  17-18
    1.4.3 聚合物加工过程中传热特性的研究  18-20
    1.4.4 胶料在挤出过程中流动和传热相关研究存在的问题  20
  1.5 本课题的研究内容及研究方法  20-22
    1.5.1 本课题的研究内容  20
    1.5.2 本课题的研究方法  20-22
2 挤出机内混炼胶流动与传热特性的理论分析  22-37
  2.1 销钉机筒挤出机的结构特点和工作原理  22-23
    2.1.1 销钉机筒挤出机的结构特点  22-23
    2.1.2 销钉机筒挤出机的工作原理  23
  2.2 螺杆几何参数和挤出过程  23-25
    2.2.1 螺杆几何参数  24
    2.2.2 螺杆挤出过程  24-25
  2.3 聚合物挤出过程流动特性分析  25-29
    2.3.1 聚合物流动特性研究的复杂性及其方法  26
    2.3.2 聚合物加工过程中的传递现象  26-27
    2.3.3 混炼胶在挤出段的流动分析  27-29
  2.4 物理数学模型  29-37
    2.4.1 熔体输送理论的基本方程  29-30
    2.4.2 熔体输送理论的基本假设及其分析  30-33
    2.4.3 聚合物在挤出机螺槽中的流动模型  33-37
3 混炼胶热物性的实验研究  37-63
  3.1 挤出过程中混炼胶热物性概述  37
  3.2 混炼胶的制备  37-39
    3.2.1 基本配方  38
    3.2.2 加工设备  38-39
    3.2.3 混炼胶的制备过程  39
  3.3 混炼胶比热特性的试验研究  39-49
    3.3.1 差式扫描量热法简介  40-45
    3.3.2 实验装置  45
    3.3.3 实验步骤  45-46
    3.3.4 实验结果与分析  46-49
  3.4 混炼胶导热系数的实验测定  49-61
    3.4.1 导热系数测量方法简介  49-54
    3.4.2 实验原理  54-55
    3.4.3 实验装置  55-57
    3.4.4 实验装置的校核与实验步骤  57-58
    3.4.5 实验数据处理  58
    3.4.6 实验结果及讨论  58-61
  3.5 小结  61-63
4 挤出过程中胶料流动和传热特性的计算机模拟  63-86
  4.1 CAE技术  63-64
    4.1.1 挤出成型过程中的CAE技术应用  63-64
  4.2 挤出过程流场的仿真模拟  64-69
    4.2.1 ANSYS软件的流体分析步骤  64-65
    4.2.2 模型的建立及分析  65-66
    4.2.3 结果分析与讨论  66-69
  4.3 挤出过程传热特性的数值模拟  69-85
    4.3.1 数值传热计算方法概述  69-71
    4.3.2 方程的离散化  71-72
    4.3.3 网格划分  72-73
    4.3.4 控制方程求解中的关键问题  73-74
    4.3.5 求解过程中关键问题的解决方案  74-79
    4.3.6 是否进行无因次化  79
    4.3.7 换热系数的引入  79-80
    4.3.8 代数方程的求解方法和迭代次序  80
    4.3.9 控制方程边界条件的处理和初始值的确定  80-81
    4.3.10 计算结果科学可视化  81-83
    4.3.11 数值计算结果及讨论  83-85
  4.4 小结  85-86
5 总结与展望  86-89
  5.1 全文总结  86-87
  5.2 研究展望  87-89
参考文献  89-93
附录  93-98

混炼胶在挤出加工过程中的流动和传热特性研究

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