单螺杆螺压过程推进剂流变参数及物料混合特性的数值模拟研究

摘要

固体推进剂是国防工业中不可或缺的重要材料。目前，固体推进剂的制造生产多以单螺杆挤压工艺为主，然而生产工序中单螺杆压延和压伸过程具有事故多发、流变参数复杂、物料实时工况测量困难的特点。考虑到数值模拟技术可以便捷、直观地再现工艺细节，因此，论文借鉴有限元分析技术在塑料螺杆挤压工艺中的应用，利用POLYFLOW仿真平台对固体推进剂单螺杆挤压工艺的不同工况，以及螺杆中推进剂物料的混合性能进行分析与研究。
　　根据推进剂的单螺杆挤出成型过程，首先对其稳定工况进行了分析计算，研究了速度场、物料黏度、压力场以及温度场等各参数的几何分布以及变化规律，结果表明螺杆螺棱处物料黏度较小、剪切速率较大、黏性生热明显，热量更容易积聚形成“热点”，生产安全中应重要关注。其次通过对工艺瞬时工况的研究发现压力场和温度场随时间推移有升高的迹象，且提升幅度递减，所以生产开车的前期需要着重管控。然后运用单因素法研究了两个工况下转速对各参数的影响，发现转速对诸参数正相关，所以在提高转速增加产能的同时需格外关注生产过程的安全性。
　　混合性能的研究方面，从停留时间分布、混合指数以及混合参数统计3个方面分析了螺杆的混合效果以及不同参数对其造成的影响。结果表明，和转速参数相比螺槽的深度对混合特性影响较大，且混合指数概率方程与时间无关，而最大混合指数概率随时间增大。
　　本文的研究工作对固体推进剂螺压工艺的生产控制、安全性与经济性的协调以及工艺设计的改进等方面具有一定的参考价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究概况

1．2．1 固体推进剂及其发展

1．2．2 推进剂生产工艺研究

1．2．3 推进剂螺压工艺安全性研究

1．3 本文的主要工作

2 理论基础与研究方法

2．1 理论基础

2．1．1 单螺杆挤压成型原理

2．1．2 单螺杆挤压工艺的混合作用机理

2．1．3 物料在螺杆流道内的流动分析

2．1．4 螺杆挤出机中混合表征理论

2．2 研究方法

2．2．1 挤压工艺的模拟求解

2．2．2 流体力学分析软件

2．2．3 POLYFLOW软件

2．3 本章小结

3 挤压工艺数学模型建立

3．1 流体的流变特性

3．2 流体的流变模型

3．2．1 牛顿流体

3．2．2 广义牛顿流体

3．2．3 幂律流体

3．2．4 黏弹性流体

3．3 数学模型的建立

3．3．1 基本假设

3．3．2 连续性方程

3．3．3 运动方程

3．3．4 能量方程

3．3．5 本构方程

3．4 本章小结

4 稳定工况下的流变参数分析

4．1 模拟方案的设立

4．2 物料物理参数及工况条件

4．3 几何模型与网格划分

4．3．1 几何模型的建立

4．3．2 网格划分

4．4 常规工况下的流变参数分析

4．4．1 运动学相关参数与黏度分析

4．4．2 温度参数分析

4．4．3 压力参数分析

4．5 不同转速对物料流变参数的影响

4．5．1 运动学相关参数与黏度分析

4．5．2 温度与压力参数分析

4．6 本章小结

5 开车工况下的流变参数分析

5．1 几何模型与网格划分

5．1．1 几何模型的建立

5．1．2 网格划分

5．2 常规工况下的流变参数分析

5．2．1 运动学相关参数与黏度分析

5．2．2 压力参数分析

5．2．3 温度参数分析

5．3 不同转速对物料流变参数的影响

5．4 本章小结

6 物料混合特性的研究

6．1 停留时间分布的研究

6．1．1 停留时间分布

6．1．2 停留时间分布模拟计算

6．1．3 模拟结果与讨论

6．2 混合指数的研究

6．2．1 混合指数

6．2．2 混合指数的模拟计算与结果讨论

6．3 混合参数的统计学研究

6．3．1 混合指数统计学的模拟计算

6．3．2 结果与讨论

6．4 本章小结

7 结束语

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文