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定性分析聚合物界面張力與系統(tǒng)黏度比之間的關(guān)系——數(shù)值仿真結(jié)果、結(jié)論

來源:武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào) 瀏覽 515 次 發(fā)布時(shí)間:2024-07-26

4數(shù)值仿真結(jié)果


4.1液滴形變


圖6是計(jì)算流體力學(xué)后處理軟件所得到的聚合物液滴各時(shí)刻形態(tài)圖[條形柱表示POE相(Phase-2)的體積分?jǐn)?shù)]??梢钥闯?,PS細(xì)絲在POE基質(zhì)中變形趨勢(shì)大致與實(shí)驗(yàn)過程一致。

圖6聚合物液滴形態(tài)隨時(shí)間演化(仿真)


由計(jì)算流體力學(xué)后處理軟件所得到的液滴形態(tài)變化圖,可以看到液滴由最初的圓柱形變化成橢球形,再由橢球形變化成球形。與實(shí)驗(yàn)所得到的各時(shí)刻形態(tài)圖液滴變化趨勢(shì)相同,時(shí)間上略有誤差,可能是由于基質(zhì)導(dǎo)熱速率、加熱臺(tái)功率,以及室溫的影響。


圖7為數(shù)值仿真過程中液滴三軸隨時(shí)間演化規(guī)律。綜合對(duì)比圖4和圖7,數(shù)值仿真軟件與實(shí)驗(yàn)過程中球形液滴的三軸長(zhǎng)度變化趨勢(shì)基本一致??梢钥闯?,在體積保持不變的假設(shè)下,球形液滴的第二半軸和第三半軸變形頻帶是不一致的。該結(jié)果表明一些黏彈性液滴的變形和收縮不嚴(yán)格符合仿射變形假設(shè)(即第三半軸W始終等于第二半軸B),這與文獻(xiàn)結(jié)果類似。數(shù)值仿真結(jié)果中液滴最終形態(tài)不是一個(gè)三軸長(zhǎng)度相等的球形,主要原因是仿真過程中使用的非牛頓流體的本構(gòu)模型只對(duì)黏性項(xiàng)進(jìn)行了修改,而忽視了彈性應(yīng)力的影響,因此與理論計(jì)算結(jié)果有一定誤差。

圖7 230℃時(shí)PS液滴在POE基質(zhì)中的三軸時(shí)間演化(仿真)


4.2界面張力與黏度比


為了研究黏度比對(duì)聚合物體系界面張力的影響,選擇PS/POE聚合物體系,流場(chǎng)域模型及網(wǎng)格數(shù)目不變化,邊界條件、多相流模型等其他條件不變化,只改變黏度模型中的零剪切黏度,所用PS/POE材料的零剪切黏度來自表1,結(jié)合數(shù)值仿真殘差值與形態(tài)圖,確定仿真收斂時(shí)間。圖8為不同黏度比下仿真得到的液滴形態(tài)圖,條形柱表示POE相(Phase-2)的體積分?jǐn)?shù)。

圖8不同黏度比系統(tǒng)下液滴形態(tài)隨時(shí)間演化圖:(a-c)黏度比0.94,(d-f)黏度比0.46,(g-i)黏度比0.29,(j-l)黏度比0.16


觀察液滴最后由橢球到球形的形態(tài)變化過程,利用界面張力計(jì)算模型,計(jì)算出不同黏度比下聚合物體系的界面張力,如圖9所示。

圖9黏度比與界面張力關(guān)系圖


可以看出,系統(tǒng)黏度比從0.16~0.94逐漸增大的過程中,PS/POE體系的界面張力隨黏度比的增大而增加。


5結(jié)論


采用數(shù)值模擬技術(shù)研究PS/POE體系界面張力,著重考察了PS/POE體系的黏度比對(duì)界面張力的影響,系統(tǒng)黏度比越大,聚合物界面張力越大,兩者呈正相關(guān)關(guān)系。同時(shí),進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)步驟,更新實(shí)驗(yàn)裝置,采用橢球液滴回縮法測(cè)量PS/POE體系界面張力,對(duì)比分析了數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)過程中液滴在流場(chǎng)作用下的流變行為,液滴形態(tài)變化過程接近,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。測(cè)量得到PS/POE體系在230℃,液滴直徑為1.79 mm時(shí)的界面張力值為0.397 mN/m,進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可靠性。本文的有關(guān)研究結(jié)果,對(duì)聚合物共混物的改性優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)測(cè)量聚合物體系界面張力以及數(shù)值仿真模擬多相流具有一定的參考價(jià)值。然而,現(xiàn)有的理論只考慮了體系的黏性特性,而忽略了彈性特性。結(jié)合實(shí)驗(yàn)與仿真,可以看到,理論模型對(duì)于球形液滴的描述還存在一定的誤差,因此,在后續(xù)的研究中,通過二次開發(fā)將彈性因素加載到理論模型中,進(jìn)一步優(yōu)化理論模型,能夠更準(zhǔn)確描述流場(chǎng)中液滴變形行為。



定性分析聚合物界面張力與系統(tǒng)黏度比之間的關(guān)系——實(shí)驗(yàn)

定性分析聚合物界面張力與系統(tǒng)黏度比之間的關(guān)系——數(shù)值模擬

定性分析聚合物界面張力與系統(tǒng)黏度比之間的關(guān)系——數(shù)值仿真結(jié)果、結(jié)論

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