膠料擠出與混煉過(guò)程中非等溫流動(dòng)的數(shù)值模擬.pdf

1、膠料擠出與膠料混煉是汽車輪胎行業(yè)生產(chǎn)中的兩道關(guān)鍵的工序，螺桿擠出機(jī)和橡膠密煉機(jī)則是相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備。兩道加工工序都涉及到膠料內(nèi)部含有復(fù)雜運(yùn)動(dòng)部件并伴隨著極大粘性生熱的復(fù)雜熱力耦合問(wèn)題，直接采用試驗(yàn)手段研究膠料擠出與混煉過(guò)程會(huì)很費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在這樣的背景下，本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)輪胎工業(yè)中的擠出和混煉兩道工序進(jìn)行了一些初步研究。本文的主要內(nèi)容有:
　　給出了描述膠料流變行為的數(shù)學(xué)模型和利用數(shù)值方法模擬膠料擠出與混煉過(guò)程的求解策略。根據(jù)膠料

2、的流變特性，采用Bird-Carreau模型和Arrhenius shearstress方程分別表征了膠料粘度隨剪切速率和溫度的變化，擬合結(jié)果表明該流變模型與測(cè)試結(jié)果吻合較好。此外，建立了基于網(wǎng)格重置技術(shù)的數(shù)值模擬控制方程，并給出了完整的求解分析流程。
　　建立了單螺桿擠出過(guò)程非等溫流動(dòng)的幾何模型并給出了相關(guān)邊界條件和初始溫度條件。在此基礎(chǔ)上求解了20RPM轉(zhuǎn)速下的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，并將溫度數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，

3、兩者吻合較好，這表明了模型的有效性。此外，本文通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)主、副螺紋構(gòu)型的熱喂料螺桿確實(shí)可以避免擠出過(guò)程中的“死區(qū)”并提供更強(qiáng)剪切作用;螺桿擠出段的副螺紋阻礙了膠料的流動(dòng)，使得該處壓力更大;由于受剪切時(shí)間更長(zhǎng)、更強(qiáng)烈，膠料在擠出段溫度最高。
　　考察了不同轉(zhuǎn)速下的壓力和溫度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)擠出過(guò)程的最大壓力與最高溫度均隨轉(zhuǎn)速增大而升高，與此同時(shí)由于膠料自身的剪切變稀特性和溫度依賴性，壓力與溫度上升的趨勢(shì)會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的升高而減緩。
　

4、　建立了混煉過(guò)程的幾何模型并給出了相關(guān)邊界條件和初始溫度條件。在此基礎(chǔ)上，求解了混煉過(guò)程中膠料的速度場(chǎng)、剪切速率、壓力場(chǎng)以及混合指數(shù)。速度場(chǎng)結(jié)果表明，進(jìn)料口與卸料門處的速率總是相對(duì)較小，說(shuō)明該區(qū)域的膠料得不到充分的攪拌;軸向速度場(chǎng)結(jié)果表明了混煉過(guò)程中軸向回流的存在。壓力場(chǎng)結(jié)果表明，最大壓力出現(xiàn)在螺旋棱的楔入?yún)^(qū)，最小壓力出現(xiàn)在螺旋棱的背壓區(qū)?；旌现笖?shù)結(jié)果表明:兩轉(zhuǎn)子之間的混合區(qū)以拉伸流動(dòng)為主，螺旋棱與混煉室壁之間以剪切流動(dòng)為主。
　

5、　利用組分輸運(yùn)方法求解了混煉過(guò)程中密煉室內(nèi)的濃度變化，并進(jìn)行了定量表征，以此等效混煉過(guò)程中炭黑顆粒等增強(qiáng)相分布混合過(guò)程，結(jié)果表明0～12s內(nèi)濃度均化速度非常快，12s～25s均化速度減緩，36s之后幾乎看不出變化。此外，本文還利用示蹤粒子法求解了混煉過(guò)程中的分布混合，結(jié)果表明示蹤粒子法與組分輸運(yùn)取得的結(jié)果相一致，但是示蹤粒子法不需要考慮組分的自身擴(kuò)散作用，且計(jì)算成本較小。
　　求解了混煉過(guò)程中的粘性生熱，并以此給出了混煉過(guò)程中膠料