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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(lái)源：武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào) 瀏覽 1601 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)］。可以看出，PS細(xì)絲在POE基質(zhì)中變形趨勢(shì)大致與實(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)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(guò)程中球形液滴的三軸長(zhǎng)度變化趨勢(shì)基本一致。可以看出，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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)程中液滴在流場(chǎng)作用下的流變行為，液滴形態(tài)變化過(guò)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(guò)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。
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