本文对高分子聚合物在挤出加工过程中的传热及流动特性进行了理论分析、数值计算及实验研究。首次采用准三维模型并考虑温度场—剪切速率--表观粘度耦合效应,求得了混炼胶(橡胶与多种添加剂的混合物)在挤出机螺槽中的温度分布及速度分布,并得到了混炼胶与机筒内壁之间的对流换热系数。数值计算结果与实验实测值能够良好地吻合,从而较真实地揭示了流态聚合物这类高粘非牛顿流体在挤出加工过程中的传热及流动规律。同时,对多种混炼胶的流变特性、比热及导热系数特性进行了实验研究,得到了胶料表观粘度—剪切速率、比热—温度及导热系数—温度关联式。最后,利用本文的实验结果及作者最近研制的强化传热元件,对挤出机温控装置的结构提出了改进措施。在理论分析部分,利用流体力学、传热学及流变学的基本理论,以单螺杆挤出机计量段螺槽中的粘流态混炼胶料为研究对象,对挤出过程中的胶料状态特性、流动特性以及传热特性进行了深入地分析;建立了相应的物理数学模型,并给出了描述胶料挤出过程的微分方程组。该模型有下列显著特色:a)胶料为高粘度非牛顿流体,其粘度不再是物性常数,而是形变速率及温度T的函数,即。b)基本方程组中,动量方程及能量方程相互耦合,增加了求解的难度。c)胶料的比热容及导热系数均不是常数,而是温度的函数,使能量方程变得更加复杂。d)粘性耗散成为本模型中热量的主要来源,不可忽略。在数值计算部分,利用有限差分法(FDM)对控制方程进行了离散化处理,从而求得了速度场、温度场及粘度场的数值解。由于速度场—粘度场—温度场相互关联,且比热容及导热系数又是温度的函数,因此,数值计算需要反复迭代。在实验研究部分,共进行了六项不同种类的实验测试工作,分别是:混炼胶料的流变特性测试、混炼胶料的比热容测试、混炼胶料的导热系数测试、挤出机中胶料温度分布的测试、挤出机中运动胶料与机筒内壁对流换热系数的测试、挤出机温控装置水侧强化传热元件对流换热系数的测试。其中,前三项属于物性测量。因为对混炼胶物性的研究相对贫乏,以至于找不到有关混炼胶物性随温度及形变速率变化规律的文献;而这些物性又是进行理论分析及数值计算时所必需的。首先,应用XLY—2型毛<WP=4>细管流变仪对各种混炼胶料的表观粘度进行了测量,并得到了表观粘度与剪切速率之间的幂率关系式,即 。其次,利用德国Netzsch公司生产的DSC204差式扫描量热仪对6 种混炼胶料的比热进行了测量,得到了各种胶料比热容随温度的变化关系。实验结果表明:在范围内,比热—温度近似符合的线性规律。同时,对胶料中碳黑含量对比热容的影响进行了探讨,结果表明:比热容随碳黑质量份数的增加近似按线性规律增大。再者,用稳态法测量了4种混炼胶料的导热系数,得到了导热系数随温度变化的近似线性关系,即:。但碳黑含量对导热系数的影响无明显规律可循。为了验证理论分析及数值计算结果的准确性,对胶料在挤出机中的温度分布进行了实验测量。实验在XJD-120型销钉橡胶冷喂料挤出机中进行,采用特制的销钉式热电偶,测得了胶料的轴向温度及径向温度分布。实验结果能够与数值计算较好地吻合。同时,利用实验方法及热量衡算求得了挤出机温控装置的总传热系数及胶料与机筒内壁的对流换热系数,并给出了该换热系数与螺杆转速之间的关系。最后一项实验为,利用热质比拟原理及萘升华技术,对作者最新提出的机筒外表面强化传热元件(冷却水侧)的换热系数进行了测量。实验结果表明:采用椭圆钉头作为扰动元件,可使机筒外壁的换热系数大约增加30%;从而强化了挤出机温控装置的换热能力。理论分析、数值计算及实验结果均表明,橡胶混炼物这类高粘非牛顿流体的换热及流动特性与低粘牛顿流体有着本质的区别。首先,混炼胶达到一定温度后,虽然呈流体特征,但仍然具有固体外貌,因此,粘度大、流动困难,往往呈明显的层流状态,其导热对传热过程有重要影响。其次,摩擦生热会很快将常温胶料加热至粘流态。在完成本文的过程中,作者发现:混炼胶料在挤出加工过程中的动态物性受剪切速率、温度、配方等众多因素影响。而有关文献报导及数据相对贫乏,有待于更深入地理论及实验研究。