膠料擠出與混煉過程中非等溫流動的數值模擬.pdf

1、膠料擠出與膠料混煉是汽車輪胎行業(yè)生產中的兩道關鍵的工序，螺桿擠出機和橡膠密煉機則是相應的生產設備。兩道加工工序都涉及到膠料內部含有復雜運動部件并伴隨著極大粘性生熱的復雜熱力耦合問題，直接采用試驗手段研究膠料擠出與混煉過程會很費時費力，在這樣的背景下，本文采用數值模擬方法對輪胎工業(yè)中的擠出和混煉兩道工序進行了一些初步研究。本文的主要內容有:
　　給出了描述膠料流變行為的數學模型和利用數值方法模擬膠料擠出與混煉過程的求解策略。根據膠料

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，擬合結果表明該流變模型與測試結果吻合較好。此外，建立了基于網格重置技術的數值模擬控制方程，并給出了完整的求解分析流程。
　　建立了單螺桿擠出過程非等溫流動的幾何模型并給出了相關邊界條件和初始溫度條件。在此基礎上求解了20RPM轉速下的速度場、溫度場和壓力場，并將溫度數值計算結果與實測結果進行了對比，

3、兩者吻合較好，這表明了模型的有效性。此外，本文通過模擬發(fā)現主、副螺紋構型的熱喂料螺桿確實可以避免擠出過程中的“死區(qū)”并提供更強剪切作用;螺桿擠出段的副螺紋阻礙了膠料的流動，使得該處壓力更大;由于受剪切時間更長、更強烈，膠料在擠出段溫度最高。
　　考察了不同轉速下的壓力和溫度，結果發(fā)現擠出過程的最大壓力與最高溫度均隨轉速增大而升高，與此同時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會隨著轉速的升高而減緩。
　

4、　建立了混煉過程的幾何模型并給出了相關邊界條件和初始溫度條件。在此基礎上，求解了混煉過程中膠料的速度場、剪切速率、壓力場以及混合指數。速度場結果表明，進料口與卸料門處的速率總是相對較小，說明該區(qū)域的膠料得不到充分的攪拌;軸向速度場結果表明了混煉過程中軸向回流的存在。壓力場結果表明，最大壓力出現在螺旋棱的楔入區(qū)，最小壓力出現在螺旋棱的背壓區(qū)?；旌现笖到Y果表明:兩轉子之間的混合區(qū)以拉伸流動為主，螺旋棱與混煉室壁之間以剪切流動為主。
　

5、　利用組分輸運方法求解了混煉過程中密煉室內的濃度變化，并進行了定量表征，以此等效混煉過程中炭黑顆粒等增強相分布混合過程，結果表明0～12s內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程中的分布混合，結果表明示蹤粒子法與組分輸運取得的結果相一致，但是示蹤粒子法不需要考慮組分的自身擴散作用，且計算成本較小。
　　求解了混煉過程中的粘性生熱，并以此給出了混煉過程中膠料