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一种折流板单螺杆挤出机中流动与混合数值模拟

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塑料工业 2024年第6期52卷 89-96页

作者：冉可喻慧文陈金伟谈灵操黄卫扬徐百平五邑大学高分子材料智能制造重点实验室广东江门529020 广东轻工业职业技术学院广东省高分子材料先进加工程技术研究中心广东广州510300 广东仕诚塑料机械有限公司广东佛山528200

设计了一种折流板单螺杆结构,建立了熔体输送段几何模型。基于有限元叠加网格技术,采用Bird-Carreau纯黏性非牛顿流体本构模型,开展挤出过程三维流动与混合数值模拟研究。对比了机筒静止-螺杆正转与螺杆静止-机筒反转2种运动条件下的速... 详细信息

设计了一种折流板单螺杆结构,建立了熔体输送段几何模型。基于有限元叠加网格技术,采用Bird-Carreau纯黏性非牛顿流体本构模型,开展挤出过程三维流动与混合数值模拟研究。对比了机筒静止-螺杆正转与螺杆静止-机筒反转2种运动条件下的速度分布,发现两者的速度分布规律相同,证实2种运动条件下的流动特性与参考坐标系无关。相比普通单螺杆,新型折流板单螺杆的轴向速度沿程变化大,2种构型的挤出特性相似,相同压力梯度下,折流板单螺杆产量约降低20%。相同产量及螺杆转速条件下,折流板单螺杆混合指数提升、分离尺度减小,表明该结构进一步地提升了熔体输送段的分布分散混合能力。

关键词：折流板单螺杆数值模拟分离尺度混合指数混合能力

基于移动粒子半隐式方法的非充满折流板双螺杆流道内混合研究

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化工学报 2024年

作者：董沛洲喻慧文谈灵操徐百平杨芳五邑大学机械与自动化工程学院江门市五邑大学高分子智能制造重点实验室广东海洋大学机械工程学院

为提升传统双螺杆的混合能力，提出了一种新型折流板双螺杆，独特的折流板结构可作用于物料的混合，但非充满状态下的流动和混合特性尚不明确。采用移动粒子半隐式方法（MPS）求解了黏性流体非充满输送状态下的两相界面，基于自主研制... 详细信息

为提升传统双螺杆的混合能力，提出了一种新型折流板双螺杆，独特的折流板结构可作用于物料的混合，但非充满状态下的流动和混合特性尚不明确。采用移动粒子半隐式方法（MPS）求解了黏性流体非充满输送状态下的两相界面，基于自主研制的全程可视化折流板挤出装备进行非充满输送实验。求解了黏性流体在非充满状态下的速度和压力分布，结合自编程序计算了粒子欧氏距离及有限时间的Lyapunov指数，表征折流板双螺杆的分布混合。结果表明数值模拟自由界面与实验结果保持一致，验证了半隐式方法求解的有效性。粒子示踪结果显示传统双螺杆远离啮合区存在明显的粒子聚并区域及较小平均有限时间的Lyapunov指数。而相对传统双螺杆，折流板双螺杆内欧氏距离和有限时间的Lyapunov指数的平均值较大，分布混合能力优于传统双螺杆。

关键词：折流板双螺杆移动粒子半隐式方法(MPS) 非牛顿流体欧氏距离混合粒子图像测速

基于可视化方法的双螺杆停留时间分布及充满度研究

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机械工程师 2024年第4期 4-8,12页

作者：赵中文喻慧文揭旭章王志群董沛洲五邑大学智能制造学部广东江门529000

为探索旋转双螺杆挤出机内部流体流动特性,基于自主研制的双螺杆可视化挤出设备,以羧甲基纤维素钠水溶液为模拟流体,红色细砂粒子为示踪粒子,采用可视化方法探究了不同转速和喂料量引起的不同充满度下的轴向混合能力,并构建了充满度模... 详细信息

为探索旋转双螺杆挤出机内部流体流动特性,基于自主研制的双螺杆可视化挤出设备,以羧甲基纤维素钠水溶液为模拟流体,红色细砂粒子为示踪粒子,采用可视化方法探究了不同转速和喂料量引起的不同充满度下的轴向混合能力,并构建了充满度模型。实验结果表明,充满度随喂料量的增加而线性增加,而平均停留时间随充满度的增加而呈非线性减小,即通过增加喂料量达到高充满度后,对停留时间的影响降低,PIV结果显示其原因是沿挤出方向平均速度与充满度呈非线性增加的趋势;充满度随着转速的增加而非线性降低,充满度与平均停留时间呈线性增加,PIV结果显示,当转速增加使得充满度较低时,沿挤出方向的正位移速度明显,而充满度增加时,变为以拖曳流为主。

关键词：停留时间分布 PIV方法可视化拉膜法充满度

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一种折流板双螺杆构型挤出压力脉动响应

高分子材料科学与工程 2023年第8期39卷 104-113页

作者：喻慧文魏矗王志群揭旭彰董沛洲赵中文徐百平五邑大学智能制造学部广东江门529020

文中提出了一种带有折流板的双螺杆结构,旨在混炼过程中引入对称破缺机理并降低挤出过程的压力波动。为探索折流板双螺杆的挤出特性,自行研制了全程可视化的实验样机。以常温黏弹流体羧甲基纤维素钠(CMC-Na)为实验流体,测量了传统及折... 详细信息

文中提出了一种带有折流板的双螺杆结构,旨在混炼过程中引入对称破缺机理并降低挤出过程的压力波动。为探索折流板双螺杆的挤出特性,自行研制了全程可视化的实验样机。以常温黏弹流体羧甲基纤维素钠(CMC-Na)为实验流体,测量了传统及折流板双螺杆流道机头处的压力响应。首次通过傅里叶变换方法分析了压力脉动的产生机理,探究了螺杆构型、转速及喂料量对压力脉动的影响。结果表明,在较低螺杆转速和喂料量条件下,全充满状态下挤出压力的脉动周期与螺杆转动的周期一致,压力波动幅度随着螺杆转速的增加而增加;压力随喂料量增加而增加,但波动随着喂料量的增加而减小;螺杆旋转1周,传统双螺杆压力呈现双峰曲线,而折流板双螺杆为单峰分布,且峰值更小。粒子图像测速(PIV)显示,折流板双螺杆内啮合区存在物料相互交汇现象,保持啮合的同时实现横向和纵向开放连通,因而导致了压力脉动幅度较小。

关键词：折流板双螺杆黏弹流体可视化压力响应粒子图像测速

往复副螺棱高度对单螺杆挤出机内混合行为的影响

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高分子材料科学与工程 2013年第12期29卷 112-116页

作者：徐百平喻慧文王玫瑰刘跃军广东高校高分子材料加工工程技术开发中心广东轻工职业技术学院广东广州510300 湖南工业大学包装与材料工程学院先进包装材料与技术湖南省普通高校重点实验室湖南株洲412007

建立了带有扰动副螺棱的单螺杆均化段数学模型,探讨了不同副螺棱高度对混合的影响。将有限体积方法与叠加网格技术相结合,得到了螺槽内牛顿流体三维等温周期性速度场。采用4阶Runge-Kutta方法进行流体前锋追踪计算,得到了粒子群及示踪... 详细信息

建立了带有扰动副螺棱的单螺杆均化段数学模型,探讨了不同副螺棱高度对混合的影响。将有限体积方法与叠加网格技术相结合,得到了螺槽内牛顿流体三维等温周期性速度场。采用4阶Runge-Kutta方法进行流体前锋追踪计算,得到了粒子群及示踪剂界面混合行为。Poincaré截面揭示了混沌混合在螺槽横截面内呈现"8"字形带状分布,内外分别被准周期运动区域填充。副螺棱高度越大,混沌混合区域所覆盖的尺度越大,混合能力越好。

关键词：单螺杆挤出机往复副螺棱有限体积方法混沌混合前锋追踪 Poincaré截面

同向非对称自洁型双螺杆挤出过程混合机理与实验研究

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同向非对称自洁型双螺杆挤出过程混合机理与实验研究

作者：喻慧文湖南工业大学

学位级别：硕士

同向自洁积木式双螺杆挤出机由于具有良好的混合能力、自清洁能力和排气性能,在聚合物加工工业中已得到广泛应用。但是,普通同向双螺杆由于两根螺杆存在对称性,从而导致流体沿着两根螺杆前行过程中经历的几何空间存在一致性,缺少流体加... 详细信息

同向自洁积木式双螺杆挤出机由于具有良好的混合能力、自清洁能力和排气性能,在聚合物加工工业中已得到广泛应用。但是,普通同向双螺杆由于两根螺杆存在对称性,从而导致流体沿着两根螺杆前行过程中经历的几何空间存在一致性,缺少流体加工空间几何形状的转换,剪切过程中再取向作用减弱,混合效果有限。为改变这种缺陷,我们试图引入混沌动力学对称破缺效应,发明了非对称同向自洁型双螺杆挤出机。本文以这种新的螺杆造型为研究对象,在研制新型螺杆的基础上,采用计算机数值模拟技术和挤出聚合物填充体系实验相结合,对挤出过程混合的动力学机理开展研究,这无疑具有一定的科学和现实意义。本文首先介绍了新型双螺杆造型原理。在建立几何模型和数学模型的基础上,采用Carreau本构模型,运用有限元软件Polyflow的网格叠加技术,对不同造型的新型非对称双螺杆端面、捏合盘元件和螺纹元件内流动进行数值模拟,得到周期性速度场及压力场的分布。进一步利用粒子示踪技术,以累积分散准数、界面拉伸长度、停留时间分布、混合效率等为表征量,对混合过程动力学行为进行了对比分析。与传统的同向双螺杆对比表明,新型螺杆的分布混合、分散混合的性能均优于普通双螺杆,初步证实了新型螺杆内存在混沌混合。同时,结果表明螺纹元件及捏合块内的混合与端面内的二维混合在各个表征量上分布趋势具有一致性。自行设计了新型同向非对称双螺杆挤压系统,研制了新型实验样机。开展了纳米碳酸钙填充LLDPE的挤出实验研究,对挤出制品混合效果微观结构进行了扫描电镜表征对比,发现新型双螺杆的混合性能也优于普通双螺杆。数值模拟结论与实验结论相符合,说明数值模拟方法的可行性。下一步将从动力学角度出发,通过Poincare截面及界面拉伸等方面对同向双螺杆挤出机得混合的动力学行为及细节开展进一步的分析。

关键词：聚合物加工有限元方法数值模拟混沌混合新型非对称同向双螺杆

同向非对称双螺杆挤出高密度聚乙烯/聚苯乙烯共混体系熔融机理

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高分子材料科学与工程 2015年第7期31卷 107-113页

作者：罗家胜喻慧文杜遥雪王玫瑰徐百平广东轻工职业技术学院广东高校高分子材料加工工程技术开发中心广东广州510300 五邑大学机电工程学院广东江门529020

借助于自主研制转速比为2的剖分式同向非对称双螺杆挤出机对高密度聚乙烯(HDPE)/聚苯乙烯(PS)共混体系的熔融混合过程进行了沿程取样研究,并比较不同螺纹元件螺距和操作条件对熔融过程的影响,对熔融过程沿挤出方向的相形态变化进行初步... 详细信息

借助于自主研制转速比为2的剖分式同向非对称双螺杆挤出机对高密度聚乙烯(HDPE)/聚苯乙烯(PS)共混体系的熔融混合过程进行了沿程取样研究,并比较不同螺纹元件螺距和操作条件对熔融过程的影响,对熔融过程沿挤出方向的相形态变化进行初步分析。实验表明,大部分物料在第1加热区发生塑性变形,单头螺杆固体输送区的充满度比双头螺杆的高且HDPE首先发生熔融,左右螺槽的拉伸和压缩作用和对应螺纹元件螺距的不一致性使物料更快形成海-岛熔融模型,HDPE/PS在耗散混合熔融和粘性耗散熔融机理下快速熔融;减少螺纹元件螺距可以加快熔融速率,缩短熔融长度。

关键词：同向非对称双螺杆高密度聚乙烯聚苯乙烯熔融

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嵌入式行星螺杆挤出机内三维流动数值模拟

高分子材料科学与工程 2012年第7期28卷 171-174页

作者：王小龙徐百平刘跃军王玫瑰喻慧文湖南工业大学包装与材料工程学院先进包装材料与技术湖南省普通高校重点实验湖南株洲412007 广东高校高分子材料加工工程技术开发中心广东轻工职业技术学院广东广州510300

基于有限体积方法,对嵌入式行星单螺杆熔体输送段流场进行三维等温数值模拟。通过简化的物理模型来模拟行星螺杆复杂的几何结构,使用用户自定义程序设定了行星螺杆运动的边界条件。通过对嵌入式行星螺杆挤出机内螺槽压力、速度、形变速... 详细信息

基于有限体积方法,对嵌入式行星单螺杆熔体输送段流场进行三维等温数值模拟。通过简化的物理模型来模拟行星螺杆复杂的几何结构,使用用户自定义程序设定了行星螺杆运动的边界条件。通过对嵌入式行星螺杆挤出机内螺槽压力、速度、形变速率张量、拉伸强度的分析,表明行星螺杆速度都有周期性的波动,嵌入式行星螺杆平均形变速率更高并且伴有强的拉伸场作用。通过停留时间分布曲线分析,嵌入式行星螺杆内物料停留时间分布曲线较普通单螺杆更窄,同等转速下产量更高。

关键词：数值模拟 Fluent计算混沌混合挤出特性

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差速双螺杆非充满输送粘弹流体的可视化

高分子材料科学与工程 2018年第8期34卷 79-87页

作者：喻慧文徐百平吴宏武李美王玫瑰广东轻工职业技术学院广东高校高分子材料加工工程技术开发中心广东省高分子材料先进加工工程研究中心广东广州510300 华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心广东广州529020

给出了一种新型同向非对称双螺杆结构,2根螺杆的转速比为2∶1。为探索其物料流动以及混合特性,研制了全程可视化新型实验样机。采用一种常温粘弹性流体羧甲基纤维素钠着色后,观察流体在可视化设备中流动以及混合过程。采用4台摄像机采... 详细信息

给出了一种新型同向非对称双螺杆结构,2根螺杆的转速比为2∶1。为探索其物料流动以及混合特性,研制了全程可视化新型实验样机。采用一种常温粘弹性流体羧甲基纤维素钠着色后,观察流体在可视化设备中流动以及混合过程。采用4台摄像机采集挤出过程图片,提取图像关键尺寸后计算得到填充度,建立法向分布尺寸和填充度的关系模型。采用电导率法测定物料在各工况下的停留时间,考察了螺杆转速对物料轴向混合的影响。首次捕捉到新型双螺杆在非充满情况下的流动图像,发现上下啮合区及远离啮合区的非对称现象存在及单头螺槽内料陇的拉伸作用。

关键词：同向非对称双螺杆非充满可视化流动分析停留时间