强制动边界问题是边界通过外力强制施加并随时间变化的问题,在诸如：搅拌、强制输送、造浪等生产生活中很多领域都会遇到。比如,聚合物加工领域中的单螺杆挤出及双螺杆挤出的数值模拟,属于典型的强制动边界问题。在采用传统数值技术,例如,有限体积法和有限元法,模拟时会遇到网格畸变,且计算过程很难追踪物料的轨迹和详细变化情况,这不利于深入研究螺杆挤出过程的机理,而掌握挤出机理对于挤出过程的分析、设计及优化又非常重要。近年来,数值方法正在经历由连续介质模型到离散粒子模型的进展过程。无网格粒子法,采用基于点的近似而不依赖网格,非常有利于计算移动边界、大变形、自由表面等问题,这给复杂加工过程的模拟注入了新的活力。光滑粒子流体动力学(Smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法是典型的无网格粒子法,它具有良好的自适应性,因此在处理一些复杂不连续问题时较传统数值方法有很大优势,已经广泛应用到波浪力学、流-固耦合、高速碰撞等的计算。本文从经典SPH出发,深入研究经典SPH方法的改进型——不可压缩光滑粒子流体动力学(Incompressible SPH, ISPH)方法,并初步应用于螺杆挤出的二维和三维流动模拟中。研究不同边界设置方法在ISPH和经典SPH方法中的实施和适用情况；基于螺杆挤出过程,利用静态粒子法,构建二维强制旋转边界问题模型。利用FORTRAN语言编程,分别采用ISPH和移动最小二乘(Moving least squares, MLS)修正的经典SPH两种算法进行了计算。提出一种MLS修正密度的策略；进而,提出非充满状态下的强制旋转动边界自由表面流模型,并采用两种SPH方法进行模拟。设计制造一套强制旋转动边界有机玻璃流体实验装置；最后,利用SPH模拟了螺槽横截面上的二维非牛顿流模型。进一步,研究SPH方法在单螺杆三维模型中的计算。为SPH在更加复杂的单螺杆、双螺杆挤出加工过程的模拟奠定了基础。本文的主要创新成果如下：(1)关于边界实施的研究：静态粒子方法在ISPH和经典SPH算法中的计算精度均较镜像粒子边界高,这是由于镜像粒子法在每个时间步都需要重新生成新的镜像粒子,内部粒子的不规则分布映射到镜像粒子上。排斥力方法较适合在经典SPH中使用。(2)关于充满状态下的强制旋转动边界模拟研究：构建强制旋转动边界问题物理模型,采用静态粒子法完成该模型的边界实施,并分别采用ISPH和MLS修正的经典SPH算法,进行计算。通过与静边界及商业计算流体动力学(Computational fluid dynamics, CFD)软件FLUENT计算结果对比验证了计算结果的可靠性；提出一种MLS修正密度策略：在每个时间步,只对流体粒子的密度进行演算,边界粒子密度保持不变,而每20个时间步对全部粒子进行MLS密度修正。通过该MLS修正经典SPH的方法,计算结果表明：它可以有效消除计算域中高压力梯度区的压力振荡,在不降低计算效率的前提下保证计算的稳定性。(3)关于非充满状态下的强制旋转动边界模拟与实验研究：设计制造一套强制旋转动边界有机玻璃流体实验装置。利于观察和记录实验过程,实验结果能够用来检验SPH方法计算结果的正确性；提出一种静态粒子结合加密壁粒子的方案,解决了在重力场下旋转的强制动边界自由表面流问题中出现的粒子逸出边界的问题,利用ISPH算法中实施该方案,实现强制旋转动边界自由表面流模型是模拟；分别对比考察ω=0.5rad/s,1.5rad/s,2.5rad/s三种不同的角速度下的ISPH计算结果和实验结果。发现,在低速下,自由表面与水平面平行,而在较高速旋转下,自由表面在螺槽与机筒的剪切与推动下,形态呈曲线分布,它们与实验结果相吻合。当转速ω≤1.5rad/s时,离心力的作用基本可以忽略不计,随着转速的加大,离心力的作用较前者大,然而,在本文所选用的参数范围内,离心力影响并不显著。(4)关于SPH方法在螺杆挤出领域的初步应用研究：计算二维单螺杆挤出螺槽横截面非牛顿流体流场,结果显示随着剪切逐渐变稠,旋涡中心逐渐向螺槽底部方向迁移。另外,通过分析发现,在计算非牛顿流时,采用镜像粒子边界法较采用静态粒子法更可靠；在计算螺杆挤出三维模型中,入口和出口采用周期边界较采用压力边界更适合。螺槽横截面上形成环流；剪切应力分布梯度在左上角和右上角更集中；顺螺槽方向的流动平稳,产量随反向压力梯度增加呈线性下降。