一种基于CFD的熔融聚合物流经管道发生热降解过程的模拟分析方法

本发明属于化工行业的熔体输送过程管路设计领域，涉及一种基于cfd的管道设备内部的速度场，温度场和压力场的模拟分析方法。

背景技术：

1、熔体输送工艺是指聚合物熔体经熔体输送管道输送进入计量泵，最后经过纺丝组件进行纺丝。熔体输送的管段主要由熔体输送管道、计量泵和纺丝组件等构成。而各个输送管段中熔体特性粘度、温度与压强的变化会对最终产品的性能有较大影响。熔融聚合物流经管道发生热降解过程是熔体输送过程的一个重要过程。熔体管道设计的主要目标是保证进口到每个支管的出口，其停留时间相同，压力降相同。

2、针对熔融纺丝中熔体分配管道，通常的研究手段有实验室规模下试验、工业规模下探索和计算机仿真。而前两者研究的结果并不能针对流场和压力场等有很好的显示，同时实验室研究条件严苛，经费数额较高，工业规模下的探索精度较低，耗时较长，成本较大，因此计算机仿真研究在熔融纺丝中熔体分配管道内部的流场和压力场模拟方面发挥了十分重要的作用。

3、近年来，计算流体力学(computational fluid dynamics,简称cfd)迅速发展，被广泛用于各个领域。cfd是流体力学和计算机科学相互融合的一门新兴交叉学科，通过计算机数值计算流体控制方程的近似解，得到熔融纺丝中熔体分配管道内部的各个位置的基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)，从而为实验研究和工业设计提供一个很好的指导作用。

4、文献(cfd modeling of heat transfer and hydrodynamics in a draft tubeconical spouted bed reactor under pyrolysis conditions:impact of wallboundary condition.applied thermal engineering.2017,127:224-232.)报道了对带导流管的锥形喷动床在热解条件下的流体力学和传热参数进行了研究。

5、文献(validation of cfd model of multiphase flow through pipeline andannular geometries.particulate science and technology.2019,37(6):685-697.)报道了开发一种计算流体力学模型，以方便和准确地预测管道压力损失。

6、通过对现有方法的探索，并未发现类似专利及现有技术，目前迫切的需要一种能够有效且便利的得到熔融纺丝中熔体分配管道内部的各个位置基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)，提出一种基于cfd的熔融聚合物流经管道发生热降解过程的模拟分析方法是有一定前景的。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种操作简单的基于cfd的熔融聚合物流经管道发生热降解过程的模拟分析方法。

2、本发明包括以下步骤：

3、一种基于cfd的熔融聚合物流经管道发生热降解过程的模拟分析方法，步骤如下：

4、1)cfd前处理是确定管路设备尺寸：通过软件针对管路设备进行三维建模、确定模拟的求解域，针对求解域进行网格的划分以及对网格独立性进行验证。

5、在步骤1)中，具体步骤如下：

6、(1)、确定管路模型：使用solidworks软件，根据管路设备的结构与尺寸建立三维管路模型。

7、(2)、求解域的选定：将建立的三维管路模型导入ansys workbench的designmodel中，确定管路模型求解域。

8、(3)、网格划分：管路设备的整体采用非结构化四面体网格划分。靠近管壁部分采用局部加密，网格绘制完成后再形成完整的求解域。

9、(4)、网格独立性验证：通过网格独立性验证排除网格的数量对于模拟结果的影响，最终确认网格数。

10、2)cfd求解是选定物理模型，采用组分运输和化学反应模型、能量方程求解发生热降解反应问题，通过自定义黏度方程设定流体黏度性质，设置边界条件及初始条件，利用三维双精度求解器求解控制方程。

11、所述步骤2)中，具体步骤如下：

12、(1)、将经过独立性验证的网格文件导入至fluent软件中，选择三维双精度求解器和其运行环境。

13、(2)、根据需要分析的目标，选择合适物理模型并且设置相关的模型参数，包括激活能量方程、组分运输和化学反应模型以及层流模型。

14、(3)、依据工业中所用的熔融聚合物黏度性质设置模拟所用的聚合物熔体性质。

15、(4)、依据工业中管路设备运行时的操作参数设置边界条件，选择离散格式，设置松弛因子，设置收敛因子、最大内迭代次数及时间步，基本控制方程采用有限体积法进行离散，速度压力耦合求解器采用simple算法求解。所述的基本控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程。

16、(5)、初始化流场并完成迭代求解计算，得到管道设备内部熔融聚合物的物理量。

17、所述步骤2)中步骤(2)，具体步骤如下：

18、组分运输和化学反应模型设置：针对熔融聚合物在高温下发生热降解反应，根据简化方法将热降解反应总结为三组反应，在fluent中进行相应设置。

19、所述的简化方法具体为：根据熔融聚合物热降解反应动力学模型，将反应产物分为6种，一组反应两个产物，一共划分为三组反应，并对每组反应设置对应的热降解反应动力学参数。

20、所述步骤2)中步骤(4)，具体步骤如下：

21、边界条件设置，管路设备管壁部分设置为壁面，管道内部设置为计算域，管道的入口设置为压力入口，管道的出口设置为速度出口。

22、3)cfd后处理是基于cfd求解的结果进行后处理。

23、所述步骤3)中，具体步骤如下：

24、将ansys cfd-fluent模拟的文件导入ansys cfd-post软件进行后处理，将获得的数据输出并显示为图形或曲线，观察和分析模拟计算的结果，了解管道设备内部的速度场、温度场和压力场分布。

25、本发明展示了熔融纺丝中熔体分配管道内部的速度矢量图，温度云图，压力云图，黏度云图和聚合物摩尔分数云图。直观的反馈了熔体分配管道内部各指标的分布规律，从而判断当前工况下出口产品的优劣。

26、本发明的有益效果为：本发明对熔融纺丝中熔体分配管道内部的流场和压力场进行了模拟计算，有效且便利的得到熔融纺丝中熔体分配管道内部的各个位置的基本物理量(如速度、压力、温度、黏度降等)，从而为实验研究和工业设计提供一个很好的指导作用，同时本发明提出的基于cfd的熔融聚合物流经管道发生热降解过程的模拟分析方法具有一定通用性。

27、本发明适用于基于cfd的熔融纺丝中熔体分配管道内部的流场和压力场的模拟方法，为工业运行操作提供理论基础，推进熔融纺丝中熔体分配管道的设计和开发，为熔融纺丝中熔体分配管道的发展提供全面可靠的建模方法，节约开发成本，具有很好的应用前景与经济价值。

28、本发明采用cfd数值模拟方法充分考虑了管道内部的物理与化学变化，克服了实验测试投资大、周期长等缺点，精准预测了管道内部的物理量,从而实现了对熔融聚合物流经管道发生热降解过程的再现。