Polyflow软件基础及其在双螺杆挤出仿真过程中的应用

本书结合双螺杆挤出机过程数值模拟，讲述了polyflow软件的使用方法和使用该类软件的思维方式。从网格划分开始，讲述数值模拟设定、流场特征分析、混合任务设定、混合评价指标体系创建等内容。不仅涉及到稳态、瞬态、等温、非等温等多方面基础内容，而且还对适应性网格技术、滑移边界条件、周期性边界条件等深层次问题进行了讨论。

前　言
基　础　篇
第1 章　Polyflow 软件介绍及软件使用心得 2
1. 1　Polyflow 软件的组成及其模块功能介绍 2
1. 2　建立仿真模型的基本流程 3
1. 2. 1　几何建模及网格划分 3
1. 2. 2　流场的设定 3
1. 2. 3　后处理流场提取及统计分析 3
1. 3　Polyflow 软件使用心得体会 3
1. 3. 1　双转子混合器端面形状的优化分析 4
1. 3. 2　熔体齿轮泵稳压性能的分析 5
1. 3. 3　往复式单螺杆销钉挤出机机筒销钉的搅拌作用分析 7
第2 章　双螺杆挤出模型的网格划分 10
2. 1　几何模型及仿真工程的建立 10
2. 1. 1　几何模型 10
2. 1. 2　仿真工程的建立 11
2. 2　螺纹元件部分的网格划分 11
2. 2. 1　指定求解器 13
2. 2. 2　几何模型的导入 13
2. 2. 3　体网格划分 13
2. 2. 4　边界和区域设定 14
2. 2. 5　网格输出 15
2. 3　螺纹元件对应的流体区域部分的网格划分 15
2. 3. 1　指定求解器 16
2. 3. 2　几何模型导入 16
2. 3. 3　体网格划分 16
2. 3. 4　边界和区域设定 25
2. 3. 5　网格文件导出 25
2. 4　啮合盘对应流体区域的网格划分 26
2. 4. 1　指定求解器 26
2. 4. 2　几何模型导入 26
2. 4. 3　体网格划分 27
目　　录
2. 5　网格文件格式转换及组合 34
2. 5. 1　格式转换 34
2. 5. 2　网格组合 35
思考题 37
第3 章　双螺杆等温瞬态流动问题的有限元求解 38
3. 1　流场仿真任务的创建 38
3. 2　流场计算任务的设定过程 38
3. 2. 1　流场任务的创建及其类型的设定 38
3. 2. 2　瞬态等温流场子任务的设定 40
3. 2. 3　数值参数的设定 48
3. 2. 4　后处理子任务的设定 51
3. 2. 5　结果输出的设定 52
3. 2. 6　流场输出管理 53
3. 2. 7　文件管理 54
3. 2. 8　程序运行 54
3. 3　使用FieldView 软件观察流场结果 57
3. 3. 1　结果文件的导入及显示窗口初始化 57
3. 3. 2　流体区域边界上的剪切速率分布 58
3. 3. 3　瞬态数据的动态显示 62
3. 3. 4　截面上的速度向量分布 63
3. 3. 5　挤出方向上的剪切速率变化曲线 66
3. 4　在瞬态任务的基础上完成稳态任务的设定 68
3. 5　网格重叠技术 69
3. 5. 1　网格重叠技术简介 69
3. 5. 2　推荐的插值关系 70
3. 5. 3　运动部件复杂运动模式的检查 70
3. 5. 4　注意事项 70
3. 6　系列化流场计算问题的设定参数管理 72
3. 6. 1　构建模拟参数表格 72
3. 6. 2　构建新建仿真任务的数据列表 72
3. 6. 3　结果对比 72
思考题 74
第4 章　双螺杆挤出混合性能的统计分析 75
4. 1　混合任务的设定 75
4. 1. 1　仿真任务的创建 75
4. 1. 2　计算区域的设定 76
4. 1. 3　边界条件的设定 77
4. 1. 4　流场的定义 78
4. 1. 5　示踪粒子的生成 79
4. 1. 6　粒子轨迹跟踪参数的设定 80
4. 1. 7　存储属性的选择 81
4. 1. 8　结果的存储 82
4. 1. 9　运动部件的定义 84
Polyflow软件基础及其在双螺杆挤出仿真过程中的应用
4. 2　混合性能评价指标体系的建立 86
4. 2. 1　启动Polystat 统计模块 86
4. 2. 2　数据读取 86
4. 2. 3　示踪粒子运动轨迹的动态显示 88
4. 2. 4　停留时间分布的统计 92
4. 2. 5　分布混合特性的衡量———分布指数、分离尺度 98
4. 2. 6　分散混合特性的衡量———最大剪切应力、少组分粒径变化 112
思考题 118
提　高　篇
第5 章　双螺杆挤出非等温问题求解 120
5. 1　物性参数与边界条件 120
5. 1. 1　几何模型 120
5. 1. 2　网格划分 120
5. 1. 3　边界条件 121
5. 1. 4　物性参数 122
5. 2　非等温流场计算任务的设定 122
5. 2. 1　创建仿真任务 123
5. 2. 2　输出的设定 149
5. 2. 3　流场结果管理 151
5. 2. 4　文件管理 152
5. 2. 5　任务运行 152
5. 3　对比方案的设定 153
5. 4　程序运行过程及结果对比 156
5. 4. 1　程序运行过程 156
5. 4. 2　结果对比 157
第6 章　适应性网格技术在双螺杆挤出仿真中的应用 162
6. 1　适应性网格技术 162
6. 1. 1　inside 场 163
6. 1. 2　细化方案 163
6. 1. 3　相关参数 163
6. 2　使用适应性网格技术时Polydata 的操作方法 164
6. 2. 1　网格文件 164
6. 2. 2　相关设定 164
6. 3　由CSV 类型文件转换获得Polyflow 类型文件 168
6. 3. 1　转换数量的切换 169
6. 3. 2　被转换文件的选择 170
6. 3. 3　计算区域的选择 170
6. 3. 4　网格细化次数的设定 171
6. 3. 5　拓扑关系 171
6. 3. 6　输出结果类型 171
6. 3. 7　保存和退出 172
目　　录
6. 3. 8　转换结果 173
6. 4　混合任务的设定 173
6. 5　结果分析 173
第7 章　挤出过程中螺杆的受力状态分析 177
7. 1　求解前的准备 177
7. 1. 1　运动部件的网格文件 177
7. 1. 2　运动部件的边界条件 177
7. 1. 3　强度理论和物性参数 177
7. 2　运动部件弹性变形后处理子任务的设定 178
7. 2. 1　子任务计算区域的设定 179
7. 2. 2　物性参数和系统单位的设定 180
7. 2. 3　位移边界条件的设定 181
7. 3　流场结果观察及结果分析 184
7. 3. 1　导入结果文件 184
7. 3. 2　背景及显示设定 184
7. 3. 3　螺杆元件应力云图显示 185
7. 3. 4　螺杆元件变形显示设定 190
第8 章　滑移条件和周期性边界条件 192
8. 1　滑移条件的使用 192
8. 1. 1　滑移条件 192
8. 1. 2　基于运动部件的滑移问题设定 192
8. 1. 3　结果分析 197
8. 2　周期性边界条件的使用 198
8. 2. 1　流场任务的设定 199
8. 2. 2　混合任务的设定 202
8. 2. 3　计算结果的对比 204

聚合物加工过程数值仿真是提高相关行业设备开发和工艺改进效率的有效途径。本书中, 笔者以从2003 年开始学习和使用Polyflow 软件的心得体会着手, 结合十余年的教学经验, 以双螺杆挤出为背景, 对Polyflow 及其配套软件(Gambit、FieldView、Polyfuse 和Polystat等) 的使用方法进行了讲解。从内容上看, 本书内容全面丰富, 涵盖了Polyflow 模拟中大部分的核心内容, 如稳态和瞬态问题、等温和非等温问题、流动仿真和混合过程统计等。
此外, 还包括流场计算中的网格重叠技术、适应性网格技术、运动部件受力状态以及周期性边界条件和滑移边界条件的使用方法。
在本书的学习过程中, 希望读者能够从头开始, 特别是第2 ~4 章的内容, 要按顺序学习。在掌握Polyflow 软件的基础知识后, 学习第5 ~ 8 章的内容就会比较简单。读者最好一边看书, 一边操作软件, 并体会每一个设定环节在整个仿真设定中的具体作用, 这样才能熟练掌握使用Polyflow 软件进行仿真的方法。对于有相关模拟经验的读者, 建议先阅读本书的第1 章, 体会笔者学习和使用该软件的心得。对于基础相对薄弱的读者, 建议在学习本书内容后, 在开始自己的模拟研究工作前, 阅读本书的第1 章。
在开始Polyflow 仿真之旅前, 笔者希望读者能够记住一句话: “ 最复杂、最全面的仿真模型往往不是最合适、最有效的”。
本书献给我女儿毕安亿、儿子毕家辉、妻子赵昕楠以及已在天国的父亲。
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编　者