气辅共挤成型界面不稳定的数值模拟研究

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气体辅助共挤出成型技术(简称气辅共挤成型)是一种全新的聚合物多组分成型技术,它具有传统共挤成型所无法比拟的优势。本文针对多相分层流动挤出成型中普遍存在的分层界面不稳定现象,研究了聚合物熔体的流变性能和工艺参数对气辅共挤成型界面不稳定的影响规律,并基于流变学与流体动力学等理论揭示了其界面不稳定的产生机理。主要结论如下: (1) 针对气辅共挤成型工艺的成型特点,基于聚合物流变学、流体动力学和热力学理论,经合理假设,建立了描述非牛顿纯粘性聚合物熔体气辅共挤成型过程的全三维非稳态非等温理论模型和粘弹性聚合物熔体气辅共挤成型过程的二维非稳态等温理论模型。 (2) 基于VOF法和移动Lagrange界面技术,分别实现了非牛顿纯粘性和粘弹性气辅共挤成型过程中前沿界面和分层界面的追踪。通过Galerkin法、罚函数法、SUPG法、DEVSS/SU法等混合有限元稳态离散技术,分别建立了求解高度非线性的三维纯粘性和二维粘弹性气辅共挤成型理论模型的有限元数值模型,并基于这一模拟系统,实现了气辅共挤成型界面不稳定的直接有限元数值模拟。 (3) 通过直接有限元数值模拟,研究了熔体粘度、松弛时间、挤出速度、熔体温度和熔体层厚比对气辅共挤成型界面不稳定的影响规律,并获得了挤出口模内的速度、压力、温度、剪切速率、应力和第一法向应力差等变量场的分布规律图和分层界面形貌图。基于上述研究发现,气辅共挤成型界面不稳定主要是由法向应力差引起的二次流动所导致,并随着分层界面法向应力差的相对跳跃程度的增大其界面不稳定趋势加剧。
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