低密度聚乙烯熔体毛细管挤出的数值模拟

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.05.013

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (5): 79-85.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.05.013

低密度聚乙烯熔体毛细管挤出的数值模拟

卢京, 王伟()

青岛科技大学橡塑材料与工程教育部重点实验室，山东省橡塑材料与工程重点实验室，山东青岛 266042

收稿日期:2020-09-07 出版日期:2021-05-26 发布日期:2021-05-24
基金资助:
山东省自然科学基金资助项目(ZR2018MEM022);国家自然科学基金资助(21274072)

Numerical Simulations of Capillary Extrusion of Low Density Polyethylene Melt

LU Jing, WANG Wei()

Key Laboratory of Rubber?plastics，Ministry of Education/Shandong Provincial Key Laboratory of Rubber?plastics，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 266042，China

Received:2020-09-07 Online:2021-05-26 Published:2021-05-24
Contact: WANG Wei E-mail:ww@qust.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

借助2种微分型黏弹性本构模型DCPP模型和S-MDCPP模型来描述支化高分子熔体的复杂流变行为，并采用离散的弹性黏性应力分裂方法（DEVSS）/迎风流线方法（SU）解决黏弹性流体流动过程中的对流占优问题以及缺少椭圆算子的问题，进而用基于有限增量微积分（FIC）方法的压力稳定型分步算法求解质量守恒方程、动量守恒方程，对低密度聚乙烯（PE-LD）熔体在毛细管中的流动情况以及挤出胀大过程进行模拟，并把模拟结果和实验结果进行比较。结果表明，在低剪切速率时，模型预测的挤出胀大比和壁面剪切应力与实验结果比较接近；2种模型预测的速度、应力以及主链拉伸的吻合程度较好，说明2种模型均能较好地预测PE?LD熔体在毛细管中的复杂流变行为；同时表明计算S-MDCPP模型时所采用的算法是可靠的。

关键词: 低密度聚乙烯熔体, 数值模拟, 有限增量微积分, 本构模型

Abstract:

With the help of two differential viscoelasticity constitutive models， i.e. DCPP model and S?MDCPP model， the complex rheological behavior of branched polymer melts was described， and the problems of convection dominance and the lack of elliptic operators in the process of viscoelastic flow were solved by means of the discrete viscoelastic stress splitting method and upwind streamline method. A pressure-stabilized iterative fractional step scheme based on the finite incremental calculus method was used to solve the mass and momentum conservation equations. The flow behaviors of PE-LD melt in the capillary and extrusion swell were simulated， and the simulation and experimental results were compared. The results indicated the extrusion-swelling ratio and wall shear stress predicted by the model at low shear rate were close to the experimental results. The velocity， stress and backbone stretch predicted by the two models were also in good agreement with the experimental results. This indicates that the two models can well predict the complex rheological behavior of PE-LD melt in capillary and the algorithm is reliable to be used to resolve the S-MDCPP model.

Key words: low-density polyethylene melt, numerical simulation, finite incremental calculus, constitutive model

中图分类号:

TQ320.66⁺3

卢京, 王伟. 低密度聚乙烯熔体毛细管挤出的数值模拟[J]. 中国塑料, 2021, 35(5): 79-85.

LU Jing, WANG Wei. Numerical Simulations of Capillary Extrusion of Low Density Polyethylene Melt[J]. China Plastics, 2021, 35(5): 79-85.

图/表 13

图1几何模型示意图

Fig.1 Schematic diagram of geometric model

图2 计算网格

Fig.2 Computational mesh

Maxwell参数		非线性参数
G/Pa	λ_b/s	q=2/ν	r	ξ
10 377	0.4	10	1.2	0.02

表1 DCPP和S?MDCPP模型的本构参数（T=170 ℃）

Tab.1 Constitutive parameters of DCPP model and S?MDCPP model（T=170 ℃）

图3 不同剪切速率下，使用S?MDCPP模型预测的挤出胀大比与实验结果的比较

Fig.3 Comparison of the extrusion swelling ratio predicted by S?MDCPP model with the experimental results at different shear rates

图4 壁面剪切应力、最大主链拉伸程度随剪切速率的变化情况

Fig.4 Variation of wall shear stress and maximum backbone stretch degree with shear rate

图5 DCPP模型和S?MDCPP模型预测的速度分布图

Fig.5 Velocity distribution predicted by DCPP and S?MDCPP models

图6 DCPP模型和S?MDCPP模型预测的速度变化情况

Fig.6 Variation of velocity predicted by S?MDCPP and DCPP models

图7 DCPP模型和S?MDCPP模型预测的应力分布图

Fig.7 Distribution of stress predicted by DCPP and S?MDCPP models

图8 DCPP模型和S?MDCPP模型预测的Y=0.001m水平线和自由面上的应力变化情况

Fig.8 Variation of stress along the line Y=0.001m and free surface predicted by DCPP and S?MDCPP models

图9 DCPP模型和S?MDCPP模型预测的中心轴线上的应力变化情况

Fig.9 Variation of stress on the center axis predicted by DCPP and S?MDCPP models

图10 S?MDCPP模型预测的自由面上剪切应力τxy随时间的变化情况

Fig.10 Variation of shear stress τxy along the free surface with time predicted by S?MDCPP model

图11 DCPP模型和S?MDCPP模型预测的主链拉伸分布云图

Fig.11 Backbone stretch contour predicted by DCPP and S?MDCPP models

图12 DCPP模型和S?MDCPP模型预测的主链拉伸变化情况

Fig.12 Variation of backbone stretch predicted by DCPP and S?MDCPP models

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