高分子流體的流動分析演示

（優(yōu)選）高分子流體的流動分析第一頁，共三十四頁。主要內容4.1高分子流體在圓管中的流動4.2平行板間的壓力流動4.3平行板間的拖曳流動4.4環(huán)形圓管中的壓力流動4.5環(huán)形圓管中的拖曳流動第二頁，共三十四頁。為什么要研究高分子流體的流動？——注射、擠出、吹塑、模壓和壓延要求不同流變性能的高分子熔體加工成型設備不同、加工工藝的改變，使高分子流體表現(xiàn)出復雜的流變行為對不同設備的流道、口模或模具形狀進行歸納發(fā)現(xiàn)：流動的截面形狀都比較簡單：如圓形、環(huán)形、狹縫、矩形、梯形或橢圓形等等第三頁，共三十四頁。高分子流體在經(jīng)過成型加工設備中的各種流道的會發(fā)生哪些變化？壓力降和速度變化一方面：高分子流體層間的粘滯阻力及與管道的摩擦阻力所致；另一方面：流道截面形狀和尺寸改變也會引起流體中壓力、流速分布和體積流量的變化。因為影響高分子成型工藝條件的設定，所以需要分析研究。第四頁，共三十四頁。壓力流動（泊肅葉流動）——高分子流體在類似圓形管的流道中因受壓力作用而產(chǎn)生的流動。特點：1）流動的流道邊界是剛性和靜止不動的；2）高分子流體受壓力推動，受剪切作用；3）表現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流動特征。如：高分子流體在擠出機口模中的流動第五頁，共三十四頁。拖曳流動（庫埃特流動）——對流體流動沒有施加壓力梯度，在黏性的影響下邊界的拖動使流體一起運動。特點：1）也是一種剪切流動；2）流道中的壓力降及流速分布受流體運動部分的影響；如：高分子在擠出機螺槽中的流動第六頁，共三十四頁。收斂流動——高分子流體在截面面積逐漸變小的流道中的流動。特點：流動不僅受剪切作用，還受到拉伸作用。第七頁，共三十四頁。一維流動高分子流體在圓管、較寬的平行板狀狹縫口?；蜷g隙很小的圓環(huán)形口模中的流動。二維流動在矩形口模或橢圓形口模中的流動。三維流動流速不僅沿斷面縱槽兩向變化，還沿流動方向變化，如收斂流動。第八頁，共三十四頁。4.1高分子流體在圓管中的流動典型應用：毛細管流變儀、熔體指數(shù)測定儀、烏氏粘度計、圓形擠出口?！瓕嶋H流動情況非常復雜：（1）存在自由體積，流動過程中可壓縮(百分之幾)；（2）高剪切速率下，管壁發(fā)生流體滑移；（3）溫度場不均勻，影響密度、黏度、流動速度和體積流率等；……第九頁，共三十四頁。

4.1.1冪律流體在長圓管中的壓力流動理論分析時需作一定的假設：（1）流體不可壓縮；（2）流動是充分發(fā)展的穩(wěn)定流動；（3）不考慮末端效應；（4）邊界無滑移；（5）忽略重力作用；（6）在圓管中流動是對稱的；（7）等溫，忽略黏性耗散；（8）與流動垂直方向上無壓力分布。第十頁，共三十四頁。對于圓管狀流體R：圓管半徑L：待分析流場長度Δp：壓強差Uz：沿z方向的流速流體符合冪律流體模型

4.1.1冪律流體在長圓管中的壓力流動第十一頁，共三十四頁。因為是穩(wěn)定層流，所以滿足推動力=剪切阻力即：：沿圓管半徑r的剪切應力（1）應力與半徑呈線性關系，與流體種類無關；（2）r=0，流動阻力最?。?/p>

r=R，流動阻力最大。

4.1.1.1流體在圓管中的剪切應力分布第十二頁，共三十四頁。剪切速率與半徑的關系

4.1.1.2流體在圓管中的速度分布第十三頁，共三十四頁。第十四頁，共三十四頁。討論：（1）流速最大；（2）流速為0；（3）對于牛頓流體，n=1，則流速方程符合二次拋物線分布第十五頁，共三十四頁。（或者）介于管壁與管中間任一點：（1）管中間，（2）管壁處，

4.1.1.3流體在圓管中剪切速率與半徑的關系第十六頁，共三十四頁。在圓管中取一環(huán)形微元，則在半徑為r處，其環(huán)形面積為則通過此微元的體積流量為：4.1.1.4流體在圓管中的體積流量方程第十七頁，共三十四頁。若r=R，則有4.1.14流體在圓管中的體積流量方程第十八頁，共三十四頁。對于牛頓流體，n=1根據(jù)流體力學，有：阻力系數(shù)雷諾數(shù)（一種用來表征流體流動情況的無量綱數(shù)）非牛頓流體平均流速：泊肅葉方程4.1.1.4流體在圓管中的體積流量方程第十九頁，共三十四頁。某一半徑流速與平均流速的關系平均流速由于

則4.1.1.4流體在圓管中的體積流量方程第二十頁，共三十四頁。當n=1時，表現(xiàn)為一拋物線方程；當

時，表現(xiàn)為一直線方程。右圖是長圓管中某一半徑流速與平均流速的關系圖4.1.1.4流體在圓管中的體積流量方程第二十一頁，共三十四頁。對冪律流體，其最大流速與平均流速的關系有：當；當；當n取不同的值，就可以繪制出相應的流動速率分布曲線。4.1.1.4流體在圓管中的體積流量方程第二十二頁，共三十四頁。流體流動速度分布示意圖（1）流動曲線形狀類似于柱塞，稱為塞流或平推流（2）流動速度分布類似

于拋物線，管中心部分

速度分布平坦，且n越小

，平坦范圍越大4.1.1.4流體在圓管中的體積流量方程第二十三頁，共三十四頁。流體流動速度分布示意圖（3）流動曲線形狀呈拋物

線狀，是典型的牛頓流體

速度分布；（4）流動速度分布類似于

拋物線，脹塑性流體速

度分布，且n越大，越接

近于錐形；4.1.1.4流體在圓管中的體積流量方程第二十四頁，共三十四頁。流體流動速度分布示意圖

（5）

流體流動速度分布成典型

的錐形。4.1.1.4流體在圓管中的體積流量方程第二十五頁，共三十四頁。第二十六頁，共三十四頁。塞流可以看成是剪切流動+柱塞流動兩部分組成（1）0＜r≤r*，柱塞流動區(qū)，流體表現(xiàn)出類固態(tài)的流動行為，像一個塞子在管中沿受力方向移動，此區(qū)域液體所受剪切應力τ小于流體流動的屈服應力τy；（2）r*＜r≤R，剪切流動區(qū)，此區(qū)域中的液體所受剪切應力τ大于流體流動的屈服應力τy。4.1.1.4流體在圓管中的體積流量方程第二十七頁，共三十四頁。

4.1.1冪律流體在長圓管中的壓力流動關于“塞流”與“拋物線流動”：（1）塞流受到的剪切作用力很小，不利于高分子熔體在流動過程中得到良好的混合，容易使不同組分的混合均勻性降低，性能變差，不利于高分子共混體系的加工。（2）拋物線流動，一方面使流體在流動過程中受到較大的剪切作用，另一方面在流體經(jīng)過擠出機的口?；驀娮鞎r，還能產(chǎn)生渦流，增大擾動，因而有利于提高體系中不同組分的混合均勻性，改善制品性能。第二十八頁，共三十四頁。塞流與拋物線流動的比較示意圖第二十九頁，共三十四頁。流量：由于式4-6和15可得得：其中，成為流動特征，也稱為表觀剪切速率()，實際上它是牛頓流體在圓形管壁處的剪切速率。即：4.1.1.5流體在圓管中的壓強第三十頁，共三十四頁。由于式4-6和15可得表觀剪切黏度為：雷諾系數(shù)Re=ρvd/η，其中v、ρ、η分別為流體的流速、密度與黏性系數(shù)，d為特征長度。例如流體流過圓形管道，則d為管道直徑。層流和紊流以液體的雷諾數(shù)Re區(qū)分，通常凡Re在2100-4000時均為層流，大于4000則為紊流（湍流）。由于注射成型時聚合物熔體的雷諾數(shù)一般都遠遠小于2100，故可將它們的流動形式視為液體層流。

4.1.1.5流體在圓管中的壓強第三十一頁，共三十四頁。非牛頓流體管中的雷諾數(shù)壓降可以表示為：

4.1.1.5流體在圓管中的壓強第三十二頁，共三十四頁。已知若L、R不變，則與成正比4.1.1.