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销钉机筒橡胶挤出机的流场和混合性能研究

作　者: 董卫刚
导　师: 魏新利
学　校: 郑州大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 挤出挤出机混合流场数值分析 ANSYS 有限元
分类号: TQ330
类　型: 硕士论文
年　份: 2002年
下　载: 78次
引　用: 2次
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内容摘要

本文通过对销钉机筒挤出机结构的合理简化，得到数值的和实验的分析模型。在给定的边界条件下，应用有限元软件ANSYS对模型进行了数值上的离散化分析和实验上的验证。同时，应用基于面积形变率的混合均化理论，对简化模型的混合均化情况进行量化的分析和比较，对影响挤出均化的部分因素进行了讨论。本文通过对销钉机筒内的流动特性的模拟和混合均化性能的量化分析，讨论了影响混合的因素，提出了混合均化量化的评价方法，为销钉机筒挤出机的结构设计与优化提供理论和实践基础。挤出机的发展已有很长一段历史了，从上个世纪20年代起，已开始应用于工业生产。随着应用的逐步广泛，针对其局限性而提出的各种改进也非常之多，这些技术革新在工业生产中也获得了相当广泛的应用，并且取得了可观的经济效益。但是对于这些改进最初的想法和最后的成功，主要是源于以下两个方面：1)丰富的生产经验和实践数据的积累；2)基于对所加工物料性质的了解，包括物理的和化学的。但是在很长一段时间内更多的是根据第一个方面来进行的。关于流体流动问题的求解，直到现在仍是一个非常棘手的问题。即使是对理想情况的流体，其方程仍然是非线性的，只有在某些特殊的情形下，经过简化后才能得到解析解。而对于实际的粘性流体，其求解难度可想而知。事实上，对于流体方程(Navier-Stokes方程，Euler方程)而言，由于方程的非线性，其流场解形式很大程度上决定于初始条件和边界条件，因此从理论上讲，要想获得一个统一的解的形式，在目前来看可能性不大。随着人们工业生产实践的进步与发展，对工程问题的理论指导提出了越来越严格的要求。销钉机筒挤出机的开发改进，就遇到了类似得问题。我们知道这样改进能提高生产质量，降低能耗，提高生产效率，然而我们却并不是很了解为什么会这样，或者了解的比较模糊。对改进后的情况基本上是靠经验来预测，进而依靠生产实践来检验，反复的试验和修改，最终得到一个较为满意的结果。对生产而言，这不失为一个好的方法。但是如果仅是局限于此，其优化和改进将不可避免地受到限制。毕竟我们实验的次数和范围限于经济和时间，都不可能做的太大。因此作理论上的分析和指导，是很有必要的。前已述及关于流体方程的求解，直到今天也没得到很好的解决。尤其是销钉机筒挤出机内物料的流动与混合均化情况，目前还不可能去做完全的理论分析。计算机的出现及数值模拟理论的发展，使得我们对这类问题的解诀的可行性增加了很多。本文就是利用有限元软件ANSYS，在一定的边界条件下（我们假设问题定常），先数值求解其速度场，然后根据对混合均化原理的分析所提出的评价方法对流场的混合效果进行评价，比较在经过结构改变后的流场及混合效果变化情况，得出影响流体流动和混合效果的一些因素。并进行了实验验证，从而为结构设计提供依据。本文在一定简化条件下，通过数值分析，获得了流场结果，进而利用提出的混合效果评价方法，获得了混合效果的分析结果。从中可发现： 1）对于无销钉的结构体系，流场是比较有序的分布。各螺槽与螺稽之间的速度分布近似相同，总体上讲速度的变化主要表现在大小上且较为均匀，而在方向上变化较小。 2）对于有销钉的结构体系，流场的分布则较为无序（湍动程度较高）。从拖曳方向看，也即沿销钉机筒的周向来看，流场分布是呈周期性的变化的。各点间速度的变化既有大小上的，也有方向上的。 3）在相同的条件下，有销钉时的混合效果要明显地优于无销钉时的混合效果。大约提高30％－40％。－4）混合效果和速度之间有一定的关系，但并不是说速度大则混合效果就好，混合效果同时决定于速度梯度大小和速度方向的变化情况。 5）在有销钉时，混合效果对每排销钉个数并不十分敏感，而是对其位置敏感。 6）销钉机筒优良的挤出效果更大程度上是得益于边界的变化。销钉的作用在于不断地打破旧边界，建立新边界。我们知道要改变流场状况，通常改变初始条件（即各工艺参数如压力、温度。 2 2流量等）、改变边界条件两种。而工艺参数的频频改变对工业生产来说一般是不利的，因此如何改变边界来达到我们的生产要求是非常必要的。通过本课题的研究，进一步认识到：对于流体流动，特别是对湍流流动，到现在仍没有比较清晰的认识。目前，人们已开始转向应用近年来发展起来的混炖理论，来分析和探讨其规律和本质，而且业已取得一定的

全文目录

中文摘要  2-5
英文摘要  5-11
1．绪论  11-19
  1．1 研究的目的和意义  11-12
  1．2 有限元技术发展概况  12
  1．3 高聚物的加工  12-16
    1．3．1 聚合物特性  13
    1．3．2 聚合物加工  13-15
    1．3．3 聚合物加工中的传递现象  15-16
  1．4 数值模拟在聚合物中的应用  16-18
    1．4．1 计算机辅助系统  16-17
    1．4．2 数值模拟在聚合物加工中的应用  17-18
  1．5 本文研究的任务  18-19
2．流动与混合的模型简化与分析方法  19-34
  2．1 销钉机筒挤出机的发展历程  19-20
  2．2 销钉机筒挤出机的结构特点和工作原理  20-21
  2．3 粘弹性理论简介  21-23
  2．4 模型简化  23-27
  2．5 混合均化性能研究  27-34
    2．5．1 引言  27-28
    2．5．2 混合均化的机理与效率的理论研究方法  28-31
    2．5．3 基于流场的混合均化效率分析原理  31-34
3．流场的数值模拟  34-46
  3．1 引言  34
  3．2 螺槽横截面的流动分析  34-36
  3．3 螺杆展开面上的流动分析  36-44
  3．4 小结  44-46
4．混合均化性能的研究  46-61
  4．1 引言  46
  4．2 任意时刻混合均化效率的计算  46-50
  4．3 混合均化效率随时间的变化规律计算  50-52
  4．4 螺槽横截面内混合均化特性  52-55
  4．5 螺杆展开面上的混合均化特性  55-60
  4．6 小结  60-61
5．流动和混合均化特性的可视化实验研究  61-77
  5．1 引言  61
  5．2 实验方案与装置  61-65
    5．2．1 实验方案  61-62
    5．2．2 实验装置  62-65
  5．3 螺槽横截面内流场和混合均化特性的实验研究  65-70
    5．3．1 流场  65-69
    5．3．2 混合均化性能  69-70
  5．4 螺杆展开面上流场和混合均化特性的实验研究  70-75
    5．4．1 流场  70-74
    5．4．2 混合均化性能  74-75
  5．5 小结  75-77
6．结论与展望  77-79
  6．1 结论  77
  6．2 展望  77-79
参考文献  79-84
致谢  84

销钉机筒橡胶挤出机的流场和混合性能研究

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