黏弹流体动态黏度数学模型与实验研究

针对经典Maxwell本构模型的局限性进行了相应的非线性修正,提出了一种新的黏弹本构模型,利用修正模型和基于黏性耗散机理建立的黏滞动力方程,得到了振动剪切流场黏弹流体的动态黏度函数.通过将动态黏度函数应用于简单振动剪切流,得到了与传统计算方法相一致的结果.最后,进行了同轴圆筒动态流变实验.实验数据与垂直叠加振动剪切流场中LDPE熔体黏度的理论值进行了对比,发现动态黏度函数在小振幅范围内具有较好的预测能力.     

Gemini表面活性剂黏弹性流体的流变性研究

C16-4-C16阳离子Gemini表面活性剂在NaCl和NaSal两种盐的作用下,可以形成蠕虫状胶束的黏弹性流体。采用流变仪研究了浓度、温度、剪切速率、剪切时间等因素对该流体黏度的影响,结果表明,2wt%的C16-4-C16流体在120℃下的零剪切黏度仍可达60mPa·s以上,而在80℃、170s~(-1)下剪切2 h黏度维持160mPa·s基本不变,说明该流体具有较强的耐温耐剪切性。触变实验的结果清楚地显示出该流体在不同的剪切作用下,蠕虫状胶束的形成与破坏是个可逆的过程。蠕虫状胶束间相互缠绕形成的网络结构,使流体具备了优异的黏弹性,高频有利于胶束储存能量,展现弹性形变;随着温度的升高,体系由弹性为主逐渐转变成了黏性较高的黏弹体,在60℃下黏性和弹性相当,展现了理想的Maxwell黏弹性流体的行为。     

PVC木塑单螺杆挤出机熔融段的熔融过程

建立PVC木塑单螺杆挤出机熔融段流道的三维模型,使用FLUENT模拟PVC木塑复合材料在熔融段流道内的流动、传热和熔融过程,模拟分为考虑黏性耗散热和不考虑黏性耗散热2种情况。通过分析模拟结果,得到物料的熔融过程以及流道内各流场的变化过程,对比模拟的2种情况,得到流体黏性耗散热占流场总能量的百分比。     

PLA/环氧化蓖麻油基聚氨酯共混物的动态流变性能

通过熔融共混法在密炼机上制备了聚乳酸(PLA)/环氧化蓖麻油基聚氨酯(E-PUR)二元共混物,采用旋转流变仪研究了共混物的动态流变行为。研究结果表明,共混物为假塑性流体,表现出剪切变稀行为。随E-PUR组分的递增,共混物的储能模量、损耗模量、复数黏度均呈增大趋势,且共混物逐渐由黏性响应占主导地位转变为弹性响应占主导地位。     

剪切流场中聚乙烯结晶过程的建模与模拟

基于Eder模型推导了剪切流场中球晶、串晶形态演化的数学模型,将第一法向应力差作为串晶成核的驱动,并引入两相悬浮模型描述体系,认为其由无定形相和半结晶相组成,分别用FENE-P模型和刚性哑铃模型描述。基于上述数学模型,分别构造了捕捉球晶、串晶生长的Monte Carlo法与体系控制方程求解的有限差分法,成功模拟了二维剪切流场中聚乙烯的结晶过程,给出了球晶、串晶的形态演化,分析了剪切时间、剪切速率对串晶成核密度、结晶速率、流体黏度等的影响。数值结果表明:所构造的Monte Carlo法合理有效,不仅成功捕捉了晶体的生长与碰撞,而且较为准确地预测了结晶速率。此外,提高剪切时间或剪切速率,将增加串晶成核密度、提高结晶速率、使流体黏度突增的时间点提前。     

剪切流场中聚乙烯结晶过程的建模与模拟

基于Eder模型推导了剪切流场中球晶、串晶形态演化的数学模型,将第一法向应力差作为串晶成核的驱动,并引入两相悬浮模型描述体系,认为其由无定形相和半结晶相组成,分别用FENE-P模型和刚性哑铃模型描述。基于上述数学模型,分别构造了捕捉球晶、串晶生长的Monte Carlo法与体系控制方程求解的有限差分法,成功模拟了二维剪切流场中聚乙烯的结晶过程,给出了球晶、串晶的形态演化,分析了剪切时间、剪切速率对串晶成核密度、结晶速率、流体黏度等的影响。数值结果表明:所构造的Monte Carlo法合理有效,不仅成功捕捉了晶体的生长与碰撞,而且较为准确地预测了结晶速率。此外,提高剪切时间或剪切速率,将增加串晶成核密度、提高结晶速率、使流体黏度突增的时间点提前。     

振动力场下螺旋芯棒式管材机头内熔体流动的数值模拟

为了研究振动力场作用下螺旋芯棒式管材机头内熔体的流动特性,考虑非定常流动,使用Polyflow软件首次对熔体的流场进行了全三维非牛顿等温数值模拟。研究表明,随着振动力场的引入,流道内熔体的剪切速率、黏度、剪切应力、压力和速度等呈周期性规律变化。另一方面,随着振动频率或振幅的增加,流场的剪切速率平均值增加,而流场的黏度平均值、剪切应力平均值和压力平均值下降。     

注塑成型制品结晶取向数值模拟

注塑成型时非等温、非稳态的流动过程,使聚合物各部分经历不同的热历史和力历史,产生多样的晶体和取向结构。通过黏性流体力学基本方程,计算注塑流体的温度场和速度场,根据Avrami方程和晶体成核速率与第一法向应力差的关系模型模拟剪切流场对聚合物结晶动力学的加速作用,结合熔体结晶度的发展模拟制品不同位置沿厚度方向的取向。指出剪切速率较大的近模壁处呈现高度取向层,在中心层剪切速率低、取向因子小,呈现自由取向。     

微尺度通道中聚合物熔体的黏性耗散效应

以双料筒毛细管流变仪和自行研制的黏性耗散测量装置为实验平台,通过对聚甲醛(POM)和聚苯乙烯(PS)两种聚合物熔体在不同剪切速率下,流经长径比相同的直径/当量直径分别为350 μm和500 μm的圆形及矩形截面微通道出口熔体温升的测量,研究了微尺度通道中聚合物熔体流动时的黏性耗散效应及其对熔体流变行为的影响。结果表明,两种截面微通道中的熔体黏性耗散效应均随剪切速率和微道直径/当量直径的增大而明显增强,其中矩形截面微通道中熔体的黏性耗散作用尤为强烈;且在相同实验条件下,结晶性的POM熔体因黏性耗散效应引起的微通道出口熔体温升值,高于非晶性的PS熔体。     

动态充模过程熔体表观黏度的实时测量与研究

修正了脉动压力诱导注射成型充模过程浇口流道中熔体壁面表观剪切黏度的数学模型,并介绍了建立在此基础上的通过实时测量并记录螺杆位置变化以及浇口流道两端熔体压力变化来表征脉动压力诱导注射成型充模过程熔体实时表观剪切黏度的方法,通过实验研究发现,脉动压力的引入对熔体的实时表观剪切黏度产生了深刻的影响,且降低了充模过程单振动周期内壁面熔体的平均表观剪切黏度及受到的平均剪切应力。在此过程中,还提出了特定振动参数下熔体剪切应力与剪切速率之间相位角的计算方法。     

振动场作用下双波螺杆混炼性能数值模拟

借助于三维数值模拟思想,对双波螺杆混炼段构建物理简化模型,并应用聚合物流动分析软件POLYFLOW及粒子示踪法对比研究该混炼段在稳态与动态条件下的混炼性能。结果表明,双波螺杆螺槽的特殊结构导致熔体粒子各流场参数波动周期性变化;引入振动场可使熔体粒子受到的压力和作用力降低,并可使流场获得稳定的黏度;存在最佳振动强度,使得波状螺槽内熔体粒子受到剪切作用达到最大值及粒子受力实现稳定降低。     

聚合物固体粒子在熔体中的流动和传热数值分析

对螺杆挤出机螺槽建立了准三维的流动和传热模型,模拟了聚合物固体粒子在熔体中的流动、受热、温升和熔融行为;采用横纵向截面研究了聚合物固体粒子的速度和温度随时间的变化情况;通过计算得出了固体粒子熔融所需要的时间以及流场总能量增量中外部传热和内部黏性耗散生热所占的百分比。结果表明,机筒传热和黏性耗散对系统能量增加的贡献为3.68∶1。     

捷流式高剪切混合器的数值模拟

借助计算流体力学(CFD)模拟的方法对中试规模的捷流式高剪切混合器的水力学特性进行了研究。首先,通过对比捷流式高剪切混合器的功耗对CFD模拟方法进行了验证,功耗的计算结果与实验结果吻合良好,误差小于20%。其次,考察了转子桨叶倾角、定转子剪切间隙宽度和定子底面开孔直径等混合器结构参数的变化对高剪切混合器混合头附近的流场、剪切速率分布和湍动能耗散率分布的影响。由结果可知:定子侧面射流区的平均速度分布、平均剪切速率分布、平均湍动能耗散率分布与径向外排流体流量的变化趋势相同,均随定子底面开孔直径减小或转子桨叶倾角增加而逐渐增大。此外,随着转子桨叶倾角的增加定子下方区域流体的流型逐渐由下排变为上吸,这预示着相应区域内流体产生的卷吸效果可能会发生改变。     

三维微观孔隙模型中流体阻力的评估

通过三维微观孔隙模型来评估碳纤维多孔介质中流体对材料结构和流体黏度的依赖性,并使用Python语言开发了一种新的多孔介质孔隙和骨架的分离方法。通过模拟发现,孔隙率对黏性阻力和惯性阻力起决定性的作用;黏度对惯性阻力的影响比对黏性阻力的影响大。     

电磁动态密炼机四棱异步剪切型转子的设计及模拟分析

设计电磁动态密炼机四棱异步剪切型转子,建立在电磁振动条件下转子的三维数学模型,并运用专业流体软件Polyflow动态模拟分析转子流场的压力场、速度场、剪切速率分布、粘度分布、混合指数分布和浓度场。结果表明:在电磁振动条件下,转子流场出现最高压力、最大速度、最大剪切速率和最大质量浓度的时间缩短,转子突棱处的粘度很小,转子平滑处的粘度较大,混合指数较小,从而使胶料快速完成混炼,提高混炼效率,降低混炼能耗。     

基于SolidWorks Flow Simulation乳化头效果分析

应用SolidWorks软件的Flow Simulation插件对乳化头部件进行了计算流体力学(CFD)分析,模拟了4个CFD项目:(1)流体为水、转速3 000 r/min;(2)流体为一种高黏度流体、转速3 000r/min;(3)流体为水、转速6 000 r/min;(4)流体为一种高黏度流体、转速6 000 r/min。通过流体动力学仿真分析,获得了不同黏度的流体、不同转速下的流场运动分布速度云图及带矢量云图;通过粒子轨迹示踪法,直观地观察到物料粒子在乳化头作用下的分散效果。当流体黏度低时,提高转速可明显提高分散效果,而当流体黏度高时,提高转速对分散效果的改善并不明显。因此,CFD流体分析可为乳化头结构的优化设计提供有力的参考。     

圆管聚合物热流中黏性耗散分析的无网格模拟

以与温度相关的指数定律作为本构方程,应用无网格方法模拟了外表面为恒温时的圆管内具有黏性耗散的聚合物流动热传导问题,给出了离入口不同位置处的温度分布。计算结果表明：根据黏性耗散模型计算的温度比无黏性耗散模型高出64℃,从而说明了黏性耗散在聚合物流动热传导问题中具有举足轻重的作用。并且, 无论是无黏性耗散模型,还是黏性耗散模型,其极限温度与壁面温度有很大的关系,但与入口温度无关。     

TiO_2-H_2O纳米流体的黏度特性实验

在去离子水中添加亲水性分散剂,经过超声振动制备了粒径为20 nm的4种不同体积分数的TiO2-H2O纳米流体。对纳米流体和水进行黏度测试,结果表明纳米流体的黏度值均大于水,且黏度随TiO2粒子体积分数的增加呈加速上升的趋势,随温度呈反比变化。体积分数越高的纳米流体,在较低温度下的黏度增加幅度比高温时大。流变曲线表明,在所配制的体积分数内,TiO2-H2O纳米流体的黏度不随剪切速率的变化而变化,为典型的牛顿型流体。     

脉动压力诱导注射成型充模过程熔体表观黏度的实时测量

以脉动压力诱导注射成型充模过程浇口流道中熔体壁面表观剪切黏度的数学模型为基础,通过实时测量记录螺杆位置变化以及浇口流道两端熔体压力变化,表征脉动压力诱导注射成型充模过程熔体实时表现剪切黏度的方法,通过实验研究发现,脉动压力的引入使充模过程、熔体的剪切应力和表观剪切黏度降低,同时加剧了熔体的剪切速率变化,在强烈的振动条件下会引起动态充模过程中某些时刻出现断流现象.     

多孔降黏装置结构设计与优化

聚驱等驱油技术广泛应用，聚合物的加入导致含聚采出液黏度增高，进一步增加了油水分离的难度。为了降低含聚采出液黏度，研究设计了一种基于物理剪切降黏原理的多孔剪切板降黏装置，采用CFD数值模拟方法，结合正交法试验设计，对降黏装置进行了结构优化。结果表明：可显著影响多孔剪切板降黏装置降黏性能的结构参数主要为孔径；通过对黏度、速度、压力损失分布等流场特性进行对比分析，最优结构可将入口黏度由4.350 mPa·s降至1.943 mPa·s，压力损失为0.141 MPa。