双螺杆混合含铝炸药模拟物数值模拟及均匀性研究

摘要

金属化混合炸药的研究是军用混合炸药发展的一个重要分支，其中含铝炸药已成高能炸药的研究热点。铝粉颗粒在炸药基体材料中的均匀性分布对金属化炸药做功能力有重要的影响。相对传统混合设备，双螺杆对含能材料挤出工艺具有连续化高效混合能力、绿色柔性化等优势。本文以铝粉含量20％的含铝炸药模拟物为研究对象，研究其流场分布随双螺杆工艺参数的影响规律，为双螺杆挤出含铝炸药的混合性能和安全性能的综合评估提供理论借鉴。
　　本文根据该含量含铝炸药模拟物的流变特性，在5种同向啮合双螺杆转速、压差和螺杆构型下，分别模拟计算了含铝炸药模拟物的混合流场。通过研究剪切速率分布、加权平均剪切应力、混合指数、流道压力分布、回流系数、停留时间分布、粘性热以及温度场等流场特性指标，分析了转速、压差和螺杆构型对双螺杆挤出含铝炸药模拟物混合性能和安全性能的影响。
　　基于信息熵和团聚理论，提出混合系数理论，用于量化评价超细粉体混合均匀性，结合流场模拟研究了香农熵对分布混合均匀性的适用性。结合螺杆构型实验对部分模拟分析结果进行定性验证。
　　模拟分析结果表明:螺杆转速的提升有利于螺杆混合性能的提高，含铝炸药加工安全性能有所下降;压差的升高有利于提高螺杆的混合性能，但不同压差下温度变化较小，螺杆安全性能受到影响不大;大导程螺纹元件、反向螺纹元件以及正反向捏合块对含铝炸药模拟物料可提供较高强度的机械剪切力，分散混合能力较强，综合比较，带有反向螺纹元件和正向捏合块的螺杆在五种构型中具有最佳的的混合性能和安全性能。
　　实验统计结果表明，五种螺杆构型对含铝炸药模拟物的混合能力与模拟分析结果基本一致，混合系数理论在对超细铝粉混合均匀性评价方面具有良好的适用性，也为复合材料领域中超细填料的混合评价提供了新思路。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 文献综述

1．2．1 双螺杆挤出机加工含能材料的研究背景

1．2．2 粉体材料混合机理及均匀度评价的研究现状

1．2．3 啮合同向双螺杆的数值模拟研究进展

1．2．4 亟待解决的问题和发展方向

1．3 本课题选题的目的和意义

1．4 本课题的主要研究内容

第二章 数值模拟

2．1 同向啮合双螺杆挤出机螺杆构型设计

2．2 本课题应用软件简介及分析方法

2．3 物理模型建立

2．3．1 有限元网格划分

2．3．2 流体数学模型的选用

2．3．3 边界条件设置

2．3．4 模拟计算后处理

2．4 双螺杆流场参数

2．4．1 压力场

2．4．2 剪切速率和混合指数

2．4．3 轴向速度及回流系数

2．4．4 停留时间分布

2．4．5 粘性生热和温度场

2．5 本章小结

第三章 含铝炸药模拟物料混合流场有限元分析

3．1 转速对混合流场的影响

3．1．1 剪切速率和剪切应力

3．1．2 混合指数

3．1．3 压力场与回流系数

3．1．4 粘性热和温度场

3．2 压差对混合流场的影响

3．2．1 流量和回流量

3．2．2 平均剪切应力与停留时间

3．2．3 粘性热和温度场

3．3 构型对混合流场的影响

3．3．1 剪切速率和混合指数

3．3．2 轴向速率和回流系数

3．3．3 停留时间分布

3．3．4 粘性热和温度场

3．3．5 混合性能及安全性能的综合分析

3．4 本章小结

第四章 基于信息熵的含铝炸药模拟料均匀性量化评价体系

4．1 信息熵及香农熵理论

4．2 二维混合流场的数值模拟及香农熵分析

4．2．1 二维混合模型

4．2．2 二维混合流场模拟结果统计

4．2．3 含铝炸药中超细铝粉混合评价方法建立

4．3 含铝炸药模拟物混合挤出实验

4．3．1 实验设备

4．3．2 实验原料

4．3．3 含铝炸药模拟物挤出后处理

4．4 超细铝粉混合均匀度的量化评价

4．4．1 子区域概率统计计算及香农熵计算

4．4．2 螺杆构型工艺适应性的综合评价

4．5 本章小结

第五章 结论

5．1 主要结论

5．2 本课题的创新及主要贡献

5．3 有待解决的问题

参考文献

致谢

研究成果及发表论文

作者及导师简介