聚合物多相分層流動成型界面不穩(wěn)定的機理研究.pdf

1、本文對聚合物多相分層流動成型界面不穩(wěn)定進行了較為系統(tǒng)的研究，主要取得以下成果： (1)針對聚合物熔體在多相分層流動成型過程中的充模流動特點，基于聚合物流變學、流體動力學和熱力學理論，提出合理假設，分別建立了描述非牛頓黏性和黏彈性聚合物熔體多相分層流動成型過程的理論模型，提出了相應的精確、穩(wěn)定、快速收斂的數值算法，結合計算機編程技術，實現了非牛頓黏性和黏彈性熔體界面不穩(wěn)定的數值模擬，通過一系列數值模擬，研究了聚合物熔體流變性能和主

2、要工藝參數對界面不穩(wěn)定的影響規(guī)律，揭示了界面不穩(wěn)定的機理； (2)對于全三維、瞬態(tài)、非等溫的非牛頓黏性聚合物熔體多相分層流動成型，本文基于流體體積法(VOF法)，采用分段線性的界面重構技術，實現了成型過程中自由表面和移動界面的追蹤，基于罰函數法、SUPG法等混合有限元穩(wěn)態(tài)離散技術，實現了非牛頓黏性熔體界面不穩(wěn)定的數值模擬，研究了三層對稱流的界面不穩(wěn)定，結果表明：隨著高黏層(內層)注射速率的增加，分層界面由不穩(wěn)定的三維波動曲面逐漸

3、變?yōu)槠椒€(wěn)的分層界面；隨著內外層黏度比的增大，黏度大的其層厚也增加，界面不穩(wěn)定的趨勢加劇； (3)揭示了非牛頓黏性聚合物熔體多相分層流動成型界面不穩(wěn)定的機理：各相熔體流變性能的差異和不恰當的層厚分布使得成型過程中壓力場、溫度場和速度場在空間上分布不均勻，并具有時間依賴性，從而導致熔體黏度和切變速率的不均勻、不定常，而熔體內應力與壓力、黏度和切變速率直接相關，具有時間依賴性的不均勻的應力場將導致二次流動的出現，不均勻的二次流動必然導

4、致模腔中各相熔體層厚的重新分布，從而產生熔體分層界面的不穩(wěn)定，并使得三維波動界面不斷發(fā)展變化； (4)對于二維、瞬態(tài)、等溫的黏彈性聚合物熔體多相分層流動成型，基于移動網格法來構筑幾何體的網格離散，以此擬合各流體間的界面形貌，并基于Giesekus本構模型，運用EVSS和SU等混合有限元穩(wěn)態(tài)離散技術，實現了黏彈性熔體界面不穩(wěn)定的數值模擬，研究結果表明：流率的變化會引起各層熔體層厚的重新分布，當其它條件不變時，熔體的流率越大，其層厚

5、也越大，在熔體流變性能不匹配時，低黏層熔體流率的增大會導致界面的不穩(wěn)定性增加；隨著各層熔體黏度的差異的增大，各層熔體層厚重新分布，分層界面發(fā)生偏離，并偏向于黏度小的一邊，界面不穩(wěn)定性增加；隨著各層熔體松弛時間(熔體彈性)的差異的增大，分層界面發(fā)生偏離，并偏向于松弛時間大的一邊，而且薄層的松弛時間的增大會導致界面不穩(wěn)定性增加； (5)揭示了黏彈性聚合物熔體多相分層流動成型界面不穩(wěn)定的機理：各層熔體流變性能的差異和不恰當的層厚分布使

6、得成型過程中壓力場、速度場和應力場分布不均勻，并導致界面兩側存在第一法向應力差的階躍，當界面兩側沒有第一法向應力差的階躍時，分層界面表現平穩(wěn)，隨著界面兩側第一法向應力差的階躍的增大，界面位置發(fā)生偏離，層厚重新分布，界面不穩(wěn)定性增大；界面兩側第一法向應力差的階躍是導致黏彈性界面不穩(wěn)定的根本原因； (6)在工程實際中，對于聚合物多相分層流動成型，應選擇合適的成型材料，避免過大的黏度和松弛時間差異，并適當選擇各層的流率，得到恰當的層厚