聚合物挤出过程中的数值模拟技术

介绍了计算流体力学中常用的数值计算方法,并从螺杆挤出过程、口模的设计以及挤出胀大等方面综述了数值模拟技术在聚合物挤出过程中的应用,最后针对聚合物挤出过程数值模拟发展的方向作了简要论述。     

超支化聚合反应的多尺度模拟

超支化聚合物具有与树枝状大分子相似的物理和化学性质,其具有合成简单、分子量分布宽等突出特点,超支化聚合物分子的结构形成取决于聚合反应过程,本文介绍了超支化聚合反应模拟研究的最新进展.首先介绍了八位置键涨落粗粒化格子模型在超支化聚合反应模拟中的应用,该方法考虑了聚合物分子空间位阻效应、分子内成环和反应点活性等影响因素,从而可以模拟不同类型的超支化聚合反应;为了定量描述单体和聚合物分子结构,研究者进一步发展了杂化多尺度超支化聚合反应模拟方法,该方法通过玻尔兹曼反演迭代方法获取单体和聚合物特异性粗粒化力场,然后通过粗粒化分子动力学方法结合反应性Monte Carlo方法对特异性超支化聚合反应进行定量模拟.多尺度聚合反应模拟不仅可以精确计算超支化聚合物分子量、多分散性指数和支化度等一般性聚合物参数,还可以获取分子成环率、超支化大分子构象等重要分子结构信息,在超支化聚合反应基础研究与预测方面具有重要应用价值.     

数值模拟法在聚合物流变学教学中应用

聚合物流变学多学科交叉特点致使其教学和科研均落后于高分子科学其它分支的发展。针对流变学教学过程中的诸多抽象概念和理论,将计算流体力学(CFD)数值模拟的方法引入到教学中,本文采用Weissenberg效应、二次流、挤出胀大和螺杆共混几个实例说明黏弹与牛顿流体本质差异,并引导学生如何将流变学的原理和方法应用到工程设计实践中,同时借用其工程设计应用功能来讲解经典流变学基本原理和理论。CFD数值模拟方法的引入使课程结构得到优化,教学方法也更为直观生动,提高学生学习的积极性。     

燃烧反应动力学研究进展

化学反应动力学是燃烧过程分析的重要工具。燃烧微观反应过程、复杂反应机理、燃烧实验测量和湍流燃烧数值模拟等方面的研究工作已经取得了长足进步。本文主要介绍燃烧反应动力学研究方法,包括电子结构方法、燃烧反应热力学和速率常数的计算方法、燃烧详细机理构建和简化、反应力场分子模拟以及燃烧中间体测量、燃料点火延迟和光谱诊断等方面的研究现状。燃烧反应动力学具有很强的应用背景,燃烧过程化学物种的反应速率计算是湍流燃烧数值模拟的一个中心任务。由于燃烧反应网络的高度复杂性,我们对燃烧机理的认识还远不清楚。化学反应和湍流相互作用研究的深入、燃烧反应动力学和计算流体力学的协同发展,将对新燃料设计、燃烧数值模拟、发动机内流道流场结构的准确描述产生深远影响。     

离子型遥爪聚合物分子参数的控制(Ⅰ)

本工作建立了由反应速率常数和反应初始条件以及单体转化率计算离子型遥爪聚合物的分子参数的方法,从而为各种不同类型的双官能团活性聚合反应的调节和控制提供了一定的理论基础。本工作以萘-钠(或萘-锂)为引发剂的阴离子型聚合物反应为例,将一系列单体转化率的数值代入标准程序进行具体计算,通过图和表,表明了各种分子参数随单体转化率变化的规律。     

聚合物熔体挤出胀大的三维数值模拟

采用粘弹性PTT模型对聚合物熔体的矩形口模挤出胀大进行了三维等温数值模拟,得出了不同条件下的口模外流动速度和挤出胀大率沿挤出方向的分布规律.模拟时利用罚函数有限元法和把动量方程转化成椭圆类方程的去耦算法以降低模拟对计算机内存的要求和增加计算收敛的稳定性,采用用路线法对挤出胀大自由表面进行更新迭代.模拟结果表明:We数越大,则挤出胀大率越大,而且对于矩形口模挤出而言,高度方向的挤出胀大率比宽度方向的挤出胀大率大.     

极性单体阴离子型聚合反应产物的分子量分布

关于任意官能度多官能团引发剂瞬时引发并有单体链终止的阴离子型聚合反应体系,本工作通过非稳态动力学分析,求得了分子量分布函数和平均聚合度的一般表示式,讨论了单体的最大消耗量和聚合物的官能度分布问题,建立了从反应的初始条件和单体转化率计算产物的各种分子参数的方法。上述理论结果适用于甲基丙烯酸甲酯等极性单体在极性溶剂中的阴离子型聚合反应。数值计算的结果表明:当引发剂的官能度为2时,除了少数例外,所得聚合物的分子量分布一般具有双峰。     

正癸烷热解的小规模化学动力学机理模型

正癸烷是目前常用的吸热型燃料的替代组分, 但是其热解机理的研究迄今还很少, 且现有的少数几个机理由于规模庞大使用不便. 本文首先构建了一个包含33种组分和75个基元反应的正癸烷热解动力学机理模型(Mech33); 随后, 在该机理的基础上进一步通过灵敏度分析得到影响主要热裂解组分生成的速率控制步, 并采用局部平衡和稳态假设对Mech33机理简化得到了规模更小的、仅包含22种组分和59步反应动力学机理模型(Mech22). 在较宽的温度和压力范围内对流动反应器及激波管中正癸烷热解过程进行了数值模拟, 并与实验数据进行了对比, 结果表明, Mech33和Mech22两个动力学机理模型都能够很好地描述正癸烷热裂解过程,并准确预测主要热裂解产物的浓度分布, 为进一步实现化学反应与计算流体力学(CFD)耦合的工程计算提供了有价值的动力学机理模型.     

具有三活性物种的离子型活性聚合反应的动力学模型

离子型活性聚合反应体系一般具有 3种活性物种 ,即结合紧密的离子对 ,被溶剂化的疏松离子对及自由离子 .所有这些物种都能进行链增长反应 ,并且松离子对同时与紧离子对和自由离子处于热力学平衡状态 .以具有三活性物种的阴离子型聚合反应体系为例 ,对聚合产物的各种分子参数 ,例如数均与重均聚合度及多分散指数进行了理论推导 .数值计算结果表明 ,虽然 3种共存物种的反应活性很不相同 ,但是所得聚合物在高单体转化率时分子量分布仍然很狭窄     

聚合反应的典型影响因素分析

为了便于认识聚合反应的一般特征,本文首先比较了不同聚合方法,分析了其多步反应特征,并主要讨论了伴随反应或副反应、聚合热力学、聚合物自身性质、溶剂、聚合物分子形态对聚合反应的影响。通过揭示聚合反应的特殊性和复杂性,有助于认识聚合反应的特征及影响因素。     

AB_g型单体超支化聚合反应的理论模型

超支化聚合物的可控制备与分子设计对其工业化应用是十分重要的,这有待于弄清超支化聚合物的形成机理.本文回顾了早期关于超支化聚合物的Flory-Stockmayer理论,重点介绍与ABg型单体相关的超支化聚合反应的动力学原理,这是我国科学家在这一领域的工作亮点,在国际上受到了广泛的关注.相比其它一些理论方法,聚合反应动力学理论原理清晰,可通过解动力学微分方程导出反应产物的平均支化度和聚合度分布函数的解析式,由此可以计算各种分子参数,为超支化聚合物的分子设计和可控制备提供了理论基础.     

Levelset方法数值模拟单液滴传质中的Marangoni效应

用Levelset方法捕获界面建立了数值模拟变形单液滴萃取传质过程中Marangoni效应的控制方程。将浓度场和流场相耦合计算,数值模拟了变形单液滴传质中的Marangoni效应,描述了Marangoni效应的发生和发展过程,结果同Sternling ＆ Scriven的经典理论分析和前期数值模拟相吻合。     

直接缩合法合成低分子量聚乳酸的研究

本文采用聚合反应－共沸精馏耦合的方法,直接缩合合成低分子量聚乳酸,系统研究了分子筛对聚合反应的影响,以及不同催化剂对聚合物产率及分子量的影响。采用ＩＲ、ＧＰＣ、＾１ＨＮＭＲ等测试手段时聚乳酸进行了表征,并与丙交酯法所得聚乳酸进行了比较,结果表明,锡（Ｓｎ）是理想的乳酸缩合聚合催化剂,而直接将分子筛加入到聚合反应体系中可有效地提高聚合物分子量。采用γ－Ａｌ２Ｏ３负载的催化剂可以得到分子量较高且分散和     

同向啮合双螺杆挤出机挤出过程的计算机模拟

计算机模拟研究了聚苯乙烯在TSE-35A型同向啮合双螺杆挤出机的挤出过程.计算得到不同喂料速率与不同转速下的停留时间分布,并与在线荧光法测量值对比,二者基本相符.确定了停留时间与螺杆转速及喂料速率之间的函数关系式.模拟结果还预测了喂料速率、螺杆转速等工艺参数对双螺杆内流场变量,如温度、填充率、压力及粘度等的影响.模拟计算有助于了解双螺杆挤出机内部聚合物材料流动状态及停留时间长短,从而指导实际聚合物生产.     

两相聚合物熔体中相区粗化过程的格子Boltzmann研究

在自由能格子Boltzmann方法的基础上, 采用附加的作用力项描述非理想流体作用, 得到了改进自由能形式的格子Boltzmann模型. 对于高分子共混体系, 采用了Flory-Huggins自由能函数形式, 对两相聚合物熔体中的相区粗化过程进行了模拟. 首先通过格子Boltzmann方法计算得到了聚合物共混物的相分离曲线, 该曲线与两相共存曲线的解析值吻合得较好. 应用此模型, 研究了聚合物共混体系不稳分相机理的相区粗化过程. 在此基础上, 探讨了分相后期相区尺寸随时间的增长指数与高分子链长和Flory-Huggins相互作用参数的关系. 模拟结果表明, 相区的后期增长机理与高分子链长和Flory-Huggins相互作用参数关系不大, 而流体的粘度决定了相区的后期增长机理, 是影响相区后期增长指数的重要因素.     

半结晶聚合物注射成型中结晶动力学的数值模拟

对半结晶聚合物注射成型过程及其结晶过程进行偶合模拟,分析了二者的相互影响.具体是在注射成型数值模拟中考虑结晶动力学效应,分别在本构方程、能量方程及材料物性参数方程中引入反映结晶效应的参数;同时在结晶动力学计算中考虑流动诱导效应,从能量的角度提出并使用修正的动力学模型,用材料流动过程的耗散能表征流动对结晶的影响.通过对等规聚丙烯(iPP)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)两种半结晶聚合物注射过程模拟结果的分析比较,证实成型过程具有加速结晶的作用.同时,材料的结晶也对注射成型加工过程,尤其是保压与冷却过程的温度场分布有较大的影响.     

丙烯酸酯/液晶体系的光聚合反应动力学对PDLC电光性质的影响

采用光-示差扫描量热法(P-DSC)和光-流变学(P-Rheology)技术,测定了丙烯酸酯/液晶体系的光聚合反应动力学和凝胶化时间.基于自催化模型和凝胶时间-温度关系,计算了体系的光聚合反应速率常数和活化能,探讨了单体结构与组成、反应温度对体系光聚合动力学的影响,并研究了聚合物分散液晶(PDLC)的电光响应行为与相分离结构对光聚合动力学的依赖性.结果表明,升高反应温度、增加体系的单体反应活性和平均官能度,均提高了体系的光聚合速率常数,缩短了光聚合凝胶时间.随着单体反应活性和平均官能度的提高,体系的光聚合反应活化能明显降低,且凝胶化前的光聚合反应活化能低于光聚合全过程的平均反应活化能.当液晶含量为50%时,形成的PDLC呈亚微米尺度的双连续相结构.随着光聚合反应温度的升高,光聚合速率加快,导致凝胶时间缩短、相分离程度降低,使PDLC中液晶相尺寸变小、聚合物网络致密化,PDLC的弛豫时间延长、饱和电压降低,而开启时间和阈值电压变化不大.     

基于Arrhenius定理的化学动力学数值计算法

基于Arrhenius定理建立了一种新的化学动力学数值模拟方法.将其与化学动力学过程契合,能较好地体现化学动力学过程.将该方法对简单一级反应、平行反应和复杂的综合反应进行模拟计算,模拟结果与准确解相对误差小于0.5%.     

电解质水溶液传递性质的布朗动力学模拟研究

在传统布朗动力学的基础上, 考虑流体力学的影响, 并且引入Smart Monte Carlo方法的接受概率, 对电解质溶液进行布朗动力学模拟, 得到不同浓度和温度下KCl溶液中离子间的径向分布函数, 并且与超网链积分方程理论计算结果进行了比较, 同时, 模拟了KCl和NaCl溶液的摩尔电导率. 模拟过程基于电解质溶液的原始模型, 溶剂被看作连续介质, 溶质分子之间的相互作用采用软核加静电的势能函数模型, 长程静电力的处理采用Ewald加和方法. 结果显示, 流体力学的作用对于电解质溶液的结构性质没有明显的影响, 但是对于传递性质的影响显著; 考虑流体力学作用的布朗动力学模拟结果与实验数据吻合良好.     

正癸烷着火及燃烧的化学动力学模型

构建了一个包含46组分和167反应的描述正癸烷着火与燃烧过程的化学反应动力学机理模型, 该机理是在通过路径分析和灵敏度分析对Peters 机理(118组分和527反应)进行较大程度简化的基础上, 对低温着火和火焰传播速度影响较大的部分基元反应进行修正和改进后得到的. 与文献给出的实验结果对比表明, 该机理不仅比现有的机理具有较少的组分数和基元反应数, 而且能够更准确地预测正癸烷低温和高温条件下的着火延迟时间和火焰传播速度. 该机理为进一步实现总包简化机理与计算流体力学(CFD)的耦合计算奠定了基础.