高分子流体的流动分析-PPT.pptx

高分子流体的流动分析主要内容主要内容4、1 高分子流体在圆管中得流动4、2 平行板间得压力流动4、3 平行板间得拖曳流动4、4 环形圆管中得压力流动4、5 环形圆管中得拖曳流动为什么要研究高分子流体得流动？注射、挤出、吹塑、模压与压延要求不同流变性能得高分子熔体加工成型设备不同、加工工艺得改变,使高分子流体表现出复杂得流变行为对不同设备得流道、口模或模具形状进行归纳发现:流动得截面形状都比较简单:如圆形、环形、狭缝、矩形、梯形或椭圆形等等高分子流体在经过成型加工设备中得各种流道得会发生哪些变化？压力降与速度变化一方面:高分子流体层间得粘滞阻力及与管道得摩擦阻力所致;另一方面:流道截面形状与尺寸改变也会引起流体中压力、流速分布与体积流量得变化。因为影响高分子成型工艺条件得设定,所以需要分析研究。压力流动(泊肃叶流动)高分子流体在类似圆形管得流道中因受压力作用而产生得流动。特点:1)流动得流道边界就是刚性与静止不动得;2)高分子流体受压力推动,受剪切作用;3)表现稳态流动特征。如:高分子流体在挤出机口模中得流动拖曳流动(库埃特流动)对流体流动没有施加压力梯度,在黏性得影响下边界得拖动使流体一起运动。特点:1)也就是一种剪切流动;2)流道中得压力降及流速分布受流体运动部分得影响;如:高分子在挤出机螺槽中得流动收敛流动高分子流体在截面面积逐渐变小得流道中得流动。特点:流动不仅受剪切作用,还受到拉伸作用。一维流动高分子流体在圆管、较宽得平行板状狭缝口模或间隙很小得圆环形口模中得流动。二维流动在矩形口模或椭圆形口模中得流动。三维流动流速不仅沿断面纵槽两向变化,还沿流动方向变化,如收敛流动。4 4、1 1 高分子流体在圆管中得流动高分子流体在圆管中得流动典型应用:毛细管流变仪、熔体指数测定仪、乌氏粘度计、圆形挤出口模实际流动情况非常复杂:(1)存在自由体积,流动过程中可压缩(百分之几);(2)高剪切速率下,管壁发生流体滑移;(3)温度场不均匀,影响密度、黏度、流动速度与体积流率等;10大家应该也有点累了,稍作休息大家有疑问得大家有疑问得大家有疑问得大家有疑问得,可以询问与交流可以询问与交流可以询问与交流可以询问与交流4 4、1 1、1 1 幂律流体在长圆管中得压力流幂律流体在长圆管中得压力流动动理论分析时需作一定得假设:(1)流体不可压缩;(2)流动就是充分发展得稳定流动;(3)不考虑末端效应;(4)边界无滑移;(5)忽略重力作用;(6)在圆管中流动就是对称得;(7)等温,忽略黏性耗散;(8)与流动垂直方向上无压力分布。对于圆管状流体R:圆管半径L:待分析流场长度p:压强差Uz:沿z方向得流速流体符合幂律流体模型4 4、1 1、1 1 幂律流体在长圆管中得压力流幂律流体在长圆管中得压力流动动因为就是稳定层流,所以满足推动力=剪切阻力即:沿圆管半径r得剪切应力(1)应力与半径呈线性关系,与流体种类无关;(2)r=0,流动阻力最小;r=R,流动阻力最大。4 4、1 1、1 1、1 1 流体在圆管中得剪切应力流体在圆管中得剪切应力分布分布剪切速率与半径得关系4 4、1 1、1 1、2 2 流体在圆管中得速度分流体在圆管中得速度分布布讨论:(1)流速最大;(2)流速为0;(3)对于牛顿流体,n=1,则流速方程符合二次抛物线分布(或者)介于管壁与管中间任一点:(1)管中间,(2)管壁处,4 4、1 1、1 1、3 3 流体在圆管中剪切速率与半流体在圆管中剪切速率与半径得关系径得关系在圆管中取一环形微元,则在半径为r 处,其环形面积为则通过此微元得体积流量为:4 4、1 1、1 1、4 4 流体在圆管中得体积流量流体在圆管中得体积流量方程方程若r=R,则有4 4、1 1、1 41 4流体在圆管中得体积流量方流体在圆管中得体积流量方程程对于牛顿流体,n=1根据流体力学,有:阻力系数雷诺数(一种用来表征流体流动情况得无量纲数)非牛顿流体平均流速:泊肃叶方程4 4、1 1、1 1、4 4 流体在圆管中得体积流量流体在圆管中得体积流量方程方程某一半径流速与平均流速得关系平均流速由于则4 4、1 1、1 1、4 4 流体在圆管中得体积流量流体在圆管中得体积流量方程方程当n=1时,表现为一抛物线方程;当 时,表现为一直线方程。右图就是长圆管中某一半径流速与平均流速得关系图4 4、1 1、1 1、4 4 流体在圆管中得体积流量流体在圆管中得体积流量方程方程对幂律流体,其最大流速与平均流速得关系有:当 ;当 ;当n取不同得值,就可以绘制出相应得流动速率分布曲线。4 4、1 1、1 1、4 4 流体在圆管中得体积流量流体在圆管中得体积流量方程方程 流体流动速度分布示意图 (1)流动曲线形状类似 于柱塞,称为塞流或平 推流 (2)流动速度分布类似 于抛物线,管中心部分 速度分布平坦,且n越小 ,平坦范围越大4 4、1 1、1 1、4 4 流体在圆管中得体积流量流体在圆管中得体积流量方程方程 流体流动速度分布示意图 (3)流动曲线形状呈抛物 线状,就是典型得牛顿流体 速度分布;(4)流动速度分布类似于 抛物线,胀塑性流体速 度分布,且n越大,越接 近于锥形;4 4、1 1、1 1、4 4 流体在圆管中得体积流量流体在圆管中得体积流量方程方程 流体流动速度分布示意图 (5)流体流动速度分布成典型 得锥形。4 4、1 1、1 1、4 4 流体在圆管中得体积流量流体在圆管中得体积流量方程方程塞流可以瞧成就是剪切流动+柱塞流动两部分组成(1)0rr*,柱塞流动区,流体表现出类固态得流动行为,像一个塞子在管中沿受力方向移动,此区域液体所受剪切应力小于流体流动得屈服应力y;(2)r*rR,剪切流动区,此区域中得液体所受剪切应力大于流体流动得屈服应力y。4 4、1 1、1 1、4 4 流体在圆管中得体积流量流体在圆管中得体积流量方程方程4 4、1 1、1 1 幂律流体在长圆管中得压力幂律流体在长圆管中得压力流动流动关于“塞流”与“抛物线流动”:(1)塞流受到得剪切作用力很小,不利于高分子熔体在流动过程中得到良好得混合,容易使不同组分得混合均匀性降低,性能变差,不利于高分子共混体系得加工。(2)抛物线流动,一方面使流体在流动过程中受到较大得剪切作用,另一方面在流体经过挤出机得口模或喷嘴时,还能产生涡流,增大扰动,因而有利于提高体系中不同组分得混合均匀性,改善制品性能。塞流与抛物线流动得比较示意图流量:由于式4-6与15可得得:其中,成为流动特征,也称为表观剪切速率(),实际上它就是牛顿流体在圆形管壁处得剪切速率。即:4 4、1 1、1 1、5 5 流体在圆管中得压强流体在圆管中得压强由于式4-6与15可得表观剪切黏度为:雷诺系数Re=vd/,其中v、分别为流体得流速、密度与黏性系数,d为特征长度。例如流体流过圆形管道,则d为管道直径。层流与紊流以液体得雷诺数层流与紊流以液体得雷诺数Re区分区分,通常凡通常凡Re在在2100-4000时均为层流时均为层流,大于大于4000则为紊流则为紊流(湍流湍流)。由于注射成型时聚合物熔体得雷诺数一般都远远小于由于注射成型时聚合物熔体得雷诺数一般都远远小于2100,故可将它们得流动形式视为液体层流。故可将它们得流动形式视为液体层流。4 4、1 1、1 1、5 5 流体在圆管中得压强流体在圆管中得压强非牛顿流体管中得雷诺数压降可以表示为:4 4、1 1、1 1、5 5 流体在圆管中得压强流体在圆管中得压强已知若L、R不变,则 与 成正比4 4、1 1、1 1、6 6 体积流量方程得分析体积流量方程得分析若对于流体1,有 对于流体2,有同时假设 ,且k1,则:牛顿流体:n=1;假塑性流体:n1。结论:保持流场形状、尺寸与流量不变得情况下,增加高分子流体得假塑性,有利于高分子流体得输送与加工4 4、1 1、1 1、6 6 体积流量方程得分析体积流量方程得分析