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偏心双螺杆挤出机混沌混合机理研究

偏心双螺杆挤出机混沌混合机理研究

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作者：滕健辽宁石油化工大学

学位级别：硕士

双螺杆挤出机是常用的挤出设备。普通双螺杆挤出机螺杆元件只能导致其流体界面线性增加,难以产生流体的混沌效应。而混沌效应是强化高黏度流体层流混合效率的重要手段。近年来,出现了基于混沌效应的偏心双螺杆挤出机。与传统的双螺杆挤... 详细信息

双螺杆挤出机是常用的挤出设备。普通双螺杆挤出机螺杆元件只能导致其流体界面线性增加,难以产生流体的混沌效应。而混沌效应是强化高黏度流体层流混合效率的重要手段。近年来,出现了基于混沌效应的偏心双螺杆挤出机。与传统的双螺杆挤出机相比,偏心双螺杆挤出机流场结构为非对称,流体的运动形式为非线性。工作时两个偏心螺杆元件紧密捏合,同步转动,两者之间的径向间隙较小,具有排气性能好,较好的自洁性,剪切速率分布均匀和输送效率高等优点。本文基于混沌动力学理论及拉格朗日法对偏心双螺杆挤出机的混沌混合机理进行有限元分析。采用偏心啮合盘作为动力元件。借助有限时间李雅普诺夫指数,拉格朗日拟序结构,Poincaré截面和粒子追踪等,研究了偏心距为4mm、2mm和0mm的三种偏心双螺杆挤出机在两螺杆元件同向旋转和异向旋转两种情况下流场内二维端面的混沌混合机理,确定了流场中双曲不动点以及非混沌混合区的位置,重点讨论了偏心距对流场内混合的影响规律。利用粒子追踪和李雅普诺夫指数分析了流场中特殊位置的局部混合特性,通过瞬时混合效率,时间平均混合效率和对数拉伸,对比分析了不同偏心距模型的混合能力。结合速度矢量场,不同截面位置的混合指数和剪切速率云图分析了流场在三维状态下的混合特性,并分析了单个粒子的轨迹分布情况及混沌特性。研究结果表明,对于偏心双螺杆挤出机中流体粒子的遍历范围较大,拉格朗日拟序结构较为完整,形成了“lobes”结构,流域中存在双曲不动点。lobes结构强化了强、弱混合区的物质交换,双曲不动点促进了其附近粒子团发生物质交换,流体粒子会经历相对较好的拉伸和压缩作用。流域中混沌区域面积较大,流体粒子是随机运动,有利于分布混合和分散混合。在三维状态下粒子轨迹形状较为复杂,速度矢量场分布较为密集,混合指数和剪切速率相对较大。且偏心距越大混合效果越好,流体粒子经历拉伸和折叠的程度越大。而无偏心(e=0mm)双螺杆挤出机,其流域是对称式分布,流体粒子的运动状态是有序的,大部分粒子在做线性运动,流场并没有处于混沌状态。

关键词：螺杆挤出机有限时间李雅普诺夫指数拉格朗日拟序结构庞加莱截面粒子追踪混沌混合机理

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