شبیه‌سازی عددی و بررسی تجربی اختلاط سیالات پلیمری در اکسترودر دوپیچی بر اساس امتزاج‌پذیری اجزای آمیخته

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی شیمی، گروه مهندسی پلیمر، صندوق پستی 111-14115

چکیده

فرضیه: شکل‌شناسی آمیخته‌های پلیمری، اثر شایان توجهی بر خواص نهایی آمیخته دارد. تلاش‌های بسیاری برای شبیه‌سازی تغییرات شکل‌شناسی با استفاده از چند مدل ریاضی و شبیه‌سازی‌های عددی انجام شده است. در این مطالعه، اختلاط سیالات غیرنیوتنی، با استفاده از مدل رئولوژی قانون توانی، در اکسترودر دوپیچی به‌صورت سه‌بعدی شبیه‌سازی شده است. برای شبیه‌سازی از روش نشانگر و سلول اصلاح‌شده استفاده شد. در اصلاح روش نشانگر و سلول برای شبیه‌سازی جریان سیالات پلیمری از قانون توانی برای تعمیم معادلات سرعت به سیالات غیرنیوتنی و از تنش بین‌سطحی و نسبت گرانروی‌ها برای واردکردن اثر پارامتر امتزاج‌پذیری استفاده شد.
روش‌ها: در این روش، معادلات اندازه حرکت حل و سپس با استفاده از روش حجم محدود گسسته‌سازی شد. معادلات جبری خطی هم‌زمان برای تمام نقاط شبکه حل شد و ضرایب مربوط به هر نقطه شبکه به‌دست آمد. سپس با واردکردن پارامترهای رئولوژی و تنش بین‌سطحی مربوط به جفت پلیمرهای مدنظر، مقادیر سرعت در سه‌بعد برای هر حجم کنترل، با استفاده از مدل رئولوژی توانی، به‌دست‌آمد و با درنظرگرفتن بازه‌های زمانی مناسب و مکان اولیه دو فاز، حرکت ذرات دو فاز ردیابی شد. از ضرایب زیرآسایش در برنامه رایانه‌ای برای سرعت‌ها در سه‌بعد و همگرایی سریع‌تر استفاده شد. هندسه پیچ‌ها در اکسترودر دوپیچی با استفاده از فرض فضای موهومی ایجاد شد.
یافته‌ها: اختلاط دو فاز با طراحی و ساخت اکسترودر دوپیچی با دیواره شیشه‌ای و تصویربرداری از مراحل اختلاط به‌صورت دیداری بررسی شد. تصاویر تجربی با نتایج شبیه‌سازی مقایسه شدند. بین نتایج شبیه‌سازی عددی و تصاویر تجربی مطابقت بسیار خوبی در سیالات امتزاج‌پذیر و امتزاج‌ناپذیر دیده شد. بررسی سطح جدایی در تصاویر نظری و تجربی نیز این انطباق را تأیید کرد. بنابراین روش نشانگر و سلول اصلاح‌شده ابزار خوبی برای شبیه‌سازی اختلاط آمیخته‌های‌ پلیمری است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical Simulation and Visual Evaluation of the Mixing of Polymer Fluids in Twin Screw Extruder Based on Components Miscibility

نویسندگان [English]

  • Ebrahim Khalaj
  • Mohamad Hossein Navid Famili
  • Faezeh Ghodratpour
Department of Polymer Engineering, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, P.O. Box 14115-111, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: The morphological attributes of polymer blends have a significant influence on the final properties of the blend. Many attempts have been made to simulate morphological changes of a blend in various equipments, using several mathematical models and numerical simulations. In this study, mixing of non-Newtonian fluids was simulated using a power-law rheological model in a typical twin screw extruder in three dimensions. Modified marker and cell (MAC) method was used for simulation. In modified MAC, for simulation of polymeric fluids flow, power law rheological model was used to generalize velocity equations to non-Newtonian fluids. Interfacial tension and viscosity ratios were used to introduce the effect of miscibility parameter.
Methods: In this method, momentum equations were solved and discredited using finite volume method. The linear algebraic equations were solved using three diagonal matrix and the coefficients of network’s points were obtained. Then, velocity values were obtained for any control volume in three dimensions by introducing typical rheological and interfacial tension parameters for a pair of polymers. The under relaxation factors (URFs) were used for velocities in three dimensions and pressure for faster convergence. Then, new spatial peculiarities of particles of two phases were traced by taking appropriate time intervals. The geometry of screws in twin screw extruder was achieved using hypothesis of imaginary domain of screws tips.
Findings: A twin screw extruder with glass barrel was designed and constructed for intuitive investigation of mixing development. Mixing of polymer pairs of different miscibility was performed in equal time intervals. The experimental pictures were compared with the simulation results. A very good agreement was observed between the results of numerical simulation and experimental images in both miscible and immiscible fluids. The determined separation areas for theoretical and experimental images also confirmed the accuracy of the simulation. Therefore, modified marker and cell (MAC) method could be used to simulate the mixing of polymer blends in twin screw extruder, as the most common blending equipment.

کلیدواژه‌ها [English]

  • polymer blend
  • numerical simulation
  • non-Newtonian fluid
  • twin screw extruder
  • visual evaluation
 

1.        Stradins L. and Osswald T. A., Predicting the Effect of Viscosity Ratios on the Mixing of Polymer Blends Using the Boundary Element Method, Polym. Eng. Sci., 36, 979-984, 1996.

 

2.        Tang H., Wrobel L.C., and Fan Z., Tracking of Immiscible Interfaces in Multiple-Material Mixing Processes, Comput. Mater. Sci., 29, 103-118, 2004.

 

3.        Roy N.K., Potter W.D., and Landau D.P., Designing Polymer Blends Using Neural Networks, Genetic Algorithms, and Markov Chains, Appl. Intell., 20, 215-229, 2004.

 

4.        Scardovelli R. and Zaleski S., Direct Numerical Simulation of Free-surface and Interfacial Flow, Annu. Rev. Fluid Mech., 31, 567-603, 1999.

 

5.        DeRoussel P., Khakhar D.V., and Ottino J.M., Mixing of Viscous Immiscible Liquids. Part 1: Computational Models for Strong-Weak and Continuous Flow Systems, Chem. Eng. Sci., 56, 5511-5529, 2001.

 

6.        Sarhangi Fard A., Famili M.H.N., and Anderson P.D., A New Adaptation of Mapping Method to Study Mixing of Multiphase Flows in Mixers with Complex Geometries, Comput. Chem. Eng., 32, 1471-1481, 2008.

 

7.      Xu B., Yu H., and Lih-Sheng T., Distributive Mixing in a Corotating Twin Screw Channel Using Lagrangian Particle Calculations, Adv. Polym. Technol., 37, 2215-2229, 2018.

 

8.        McKee S., Tome´ M.F., Ferreira V.G., Cuminato J.A., Castelo A., Sousa F.S., and Mangiavacchi N., The MAC Method, Comput. Fluid., 37, 907-930, 2008.

 

9.        Versteeg H.K. and Malalasekera W., An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method, Pearson Education Limited, London, 134-242, 2007.

 

10.     Patankar S.V., Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Hemisphere Publishing Corporation, Philadelphia, 126-134, 1980.

 

11.     Sobhani H., Ghoreishy M.H.R., and Razavi-Nouri M., 3-Dimensional Modeling of Flow of Polymeric Fluids with Various Viscosities in an Extrusion Die Using Mixed Method and Tetrahedral Elements, Iran J. Polym. Sci. Technol. (Persian), 21, 67-179, 2008.

 

12.     Mark J.E., Physical Properties of Polymers Handbook, 1076, University, Cambridge, 2007.

 

13.     Booy M.L., Geometry of Fully Wiped Twin-Screw Equipment, Polym. Eng. Sci., 18, 973-984, 1978.

 

14.     Zhang Y., Jiang X., Fan H., and Li X., Optimization and Numerical Simulation of Outlet of Twin Screw Extruder, International Conference on Mechatronics and Mechanical Engineering (ICMME), 153, 2017.