表面張力對微擠出流場的影響

傅志紅，陳玉輝，肖雄輝

（中南大學機電工程學院，湖南 長沙410083）

0 前言

擠出成型因為具有實用范圍廣、生產效率高、投資少、見效快等一系列優點而成為高聚物成型的最重要的方法之一。近年來，產品微型化呈現出蓬勃發展的趨勢。擠出產品也朝著微型化的方向發展。由于微尺度效應［1-2］的影響，宏觀的工藝參數、結構參數、物理參數不能簡單的按幾何比例縮小應用到微擠出成型過程中。一些在宏觀擠出中可以忽略的影響因素包括壁面滑移、表面張力、對流換熱、黏性耗散等在微尺度效應下變得不可忽略［3-9］，甚至成為影響微擠出成型的主要因素。對塑料熔體在微型通道內的流變行為［10-11］的研究是對流變理論的一種完善和補充，有助于推動微擠出的不斷完善，并且有利于擴大塑料微擠出技術的應用領域。

本文采用Polyflow軟件對聚合物在微通道中的流變行為進行數值模擬，研究了表面張力對微擠出流場的影響。

1 表面張力

1.1 定義或解釋

促使液體表面收縮的力叫做表面張力，其本質是分子力，是液體表面層由于分子引力不均衡而產生的沿表面作用于任一界線上的張力。表面張力的方向和液面相切，其合力沿著曲面法向方向。接觸角用來表示表面張力的方向。表面張力及接觸角如圖1所示。

單位面積上的表面張力的合力fn使表面曲率減少，σ為表面張力系數，滿足式（1）：

圖1 表面張力及接觸角Fig.1 Surface tension and contact angle

式中 fn——單位面積上的法向力，N／m2

σ——表面張力系數，N／m

R——材料接觸界面的高斯曲率，m

n——液體自由表面法向方向的單位矢量

R 滿足式（2）：

式中 R1、R2——接觸界面的2種材料的曲率半徑

表面張力的方向和液面相切，液體表面由于表面張力作用所引起的切向力為：

式中 fτ——液體表面上受到的切向力

l——自由表面的長度

τ——液體自由表面切向方向的單位矢量

通常用接觸角（θ）來描述切向力的方向。以水平線為參考線，逆時針為正，順時針為負：

在計算流體力學中，常采用Brackbill的連續表面力模型CSF［12］將界面的表面張力項離散為等效的體積力，以附加體積力的方式加到流體的動量方程中。它分布在交界面上很薄的一層區域內。其離散公式為：

式中 k——界面上的曲率

δ（x）——界面上的函數

n——界面上的法向向量（向外為正）

δ（x-xs）——狄拉克δ函數

xs——界面S上的點

2 數值模擬

采用聚合物專用流體分析軟件Polyflow，對圓形截面的流道進行模擬分析，探討表面張力的尺寸效應及表面張力系數和接觸角對微擠出流場的影響。由于流道結構及流場的對稱性，本模擬采用軸對稱分析。模擬分析的流道尺寸及網格劃分如圖2所示。微通道尺寸AE＝4×AB＝1.2mm。網格采用四邊形結構單元。節點數量為3751，網格數量為3600。

圖2 微通道的網格Fig.2 Mesh of micro channel

在數值模擬時，熔體自由表面在模擬的過程中會發生變形，自由表面的網格會因為自由表面位置的變化而發生變化。此時，需要采用網格重置技術。網格重置可以根據邊界點的位置的變化重新定位內部網格節點。Spine法是一種比較簡單，適用于二維擠出成型的網格重置方法。其網格節點是沿著線性進行重新組織的，如圖3所示。節點的位置確定是按照一維方式進行邏輯排列的，這就像是對二維平面進行切片，切片的方式是沿著自由表面或者移動邊界的法向方向，從而得到最終的網格。Spine法是線性組織的，并且在每個線段的端點處都有相應的節點。假設x1、x2是線段的2個端點。按照Spine法的規則，內部節點的位移數學表達式為：

其中，δx代表一個方向總的位移量，w1i、w2i為權重：

圖3 Spine法變形網格Fig.3 Deformation mesh of Spine

塑料熔體的表面張力系數一般在50N／mm左右，模擬時表面張力系數的取值范圍為（0～50N／mm），接觸角取值范圍為（-50°～50°）。材料黏度模型采用常數η0＝100Pa·s。邊界條件設定為：EF為材料進口端，法向速度設置為10mm／s，BF為對稱軸，CE壁面處的速度為零，AB邊界設置為法向力等于零，切向力等于零，AC為自由表面。

3 模擬結果分析與討論

AE＝1.2mm時，表面張力系數為零和表面張力系數為50N／mm時的網格變形如圖4所示。從圖4可以看出，有表面張力和沒有表面張力的時候，網格的變形并沒有太大的區別，只是網格的變形量略微有些不同。說明有表面張力的時候，自由表面的形變方式并沒有很大的變化。但在自由表面出口處的變形非常明顯。這說明表面張力對微擠出自由表面出口處的流場影響很大。這是因為自由表面出口處的邊界條件突然變化，從而導致表面張力在此處的作用效果有較大變化。

圖4 網格變形圖Fig.4 Deformation of mesh

3.1 表面張力的尺度效應及對擠出脹大的影響

在本文的模擬分析中，為了確定表面張力的尺度效應及對擠出脹大的影響，接觸角為零時，分別取AE為1200、120、12、1.2mm，表面張力系數值為0～50N／mm。數值模擬計算得到的擠出脹大比值（自由表面變形前后最大半徑之比）如圖5所示。

由圖5可知，通道尺寸越小，擠出脹大效應越明顯。這是因為通道尺寸越大，熔體慣性力起主導作用，黏性力和表面張力可忽略不計。通道尺寸越小，黏性力和表面張力的作用效果越明顯。當通道尺寸達到毫米級和微米級時，表面張力對擠出脹大的影響變得顯著。而且表面張力系數增大，擠出脹大比值也越大，其關系大致呈線性關系。這是因為在熔體表面張力的作用下，熔體受到向外的徑向分力，從而使得表面向外膨脹，表面張力系數值變大，這種向外的分力也就越大。因此材料的擠出脹大比值隨著表面張力系數的變大而變大。表面張力對自由表面的徑向分力為：

φ——自由表面變形前后夾角

自由表面變形前后夾角φ跟擠出脹大比值有關，在自由表面變形前后夾角φ值變化不大的情況下，自由表面所受的徑向力和表面張力系數幾乎呈線性關系。

為了方便研究表面張力在微擠出中的影響，本文以下模擬均在AE為1.2mm的情況下進行。

3.2 接觸角對擠出脹大的影響

表面張力系數為50N／mm時，接觸角取值：-50°～50°。數值模擬計算得到的擠出脹大比值如圖6所示。

圖6 接觸角對擠出脹大的影響Fig.6 Influence of contact angle on extrusion swelling

由圖6可知，表面張力系數不變時，擠出脹大比值隨著接觸角的增大而減小，這是因為在自由表面出口處，接觸角對自由表面的作用產生很大影響，自由表面出口處的表面張力對自由表面的徑向分力為：

在接觸角由負值增大的過程中，表面張力對自由表面出口處向外的徑向分力越來越小，因此自由表面的擠出脹大作用越來越小。

3.3 表面張力和接觸角對口模內熔體壓力場及速度場的影響

接觸角為零時，表面張力系數值取0～50N／mm。模擬得到的口模內熔體壓力場與速度場如圖7所示。從圖7（a）可以看出口，模內熔體進出口壓力降隨著表面張力系數的增大略微有些減小，由圖7（b）、（c）、（d）可知，口模內熔體進口壓力與出口壓力以及口模出口處的熔體平均速度都隨著表面張力系數的增大而增大。圖7（a）中熔體壓力降減小說明材料在口模流動過程中的能量損失減小。這是因為表面張力對流體的軸向分力對流體有牽引作用，如：

圖7 表面張力系數對口模壓強與速度的影響Fig.7 Influence of surface tension coefficient on pressure and velocity of extrusion die

在表面張力系數從零增大到50N／mm過程中時，表面張力對口模出口處的流體牽引力增大，使得流體在流動過程中與壁面的剪切所導致的能量損失減小，而能量損失的大小與口模進出口壓力降的大小是直接相關的。所以壓力降略微減小。圖7（b）、（c）中口模平均進口壓力和口模平均出口壓力的增大說明在表面張力的作用下，自由表面對口模內的流體有很大的阻力。這是因為表面張力在擠出膨脹過程中做負功，流體的能量損失加大，表面張力增大，擠出膨脹增大，從而能量的損失增大，因此，口模進出口壓強增加。圖7（d）中熔體平均出口速度略微增大，是因為在口模出口處，表面張力對流體有一個徑向的分力，徑向力的大小如式（7）所示，徑向分力始終為正值，使得平均徑向出口速度增加。而軸向速度由于進口速度不變而不變，因此總的速度略微增加。而沒有表面張力和有表面張力時速度有較大的變化，這是因為考慮擠出脹大后，動量方程中加了表面張力項，相比沒有表面張力的動量方程出現一定的變化，使得計算出現較大的變化或者由于口模出口處的網格變形使得數值模擬的結果偏離原來的計算點。由于在口模出口處流場的變化較大，網格的微小變形都會導致較大的誤差。

在表面張力系數為50N／mm不變時，接觸角取值：-50°～50°。得到口模壓力降、口模平均進出口壓力、以及口模出口平均速度曲線如圖8所示。由圖8可知，接觸角與口模流場參數的關系并不是線性關系。由圖6可知接觸角θ增大，自由表面擠出脹大比值減小，φ減小，表面張力對口模出口處的軸向分力如式（9）所示，牽引力隨著夾角φ值的減小而增大，使得材料在口模內的剪切能量損失減小，因此壓力降減小。所以圖8（a）中口模平均進出口壓力降減小。而圖8（b）、（c）中口模內熔體進出口壓強的減小是因為擠出脹大減小，自由表面對外做功減小，自由表面對口模的阻力減小。圖8（d）中口模平均出口速度減小是因為表面張力對自由表面的徑向分力減小，口模內熔體出口徑向速度減小，而熔體軸向速度不變，因此平均速度減小。

圖8 接觸角對口模壓強與速度的影響Fig.8 Influence of contact angle on the pressure and velocity of extrusion die

3.4 表面張力和接觸角對熔體自由表面壓力場與速度場的影響

圖9 表面張力系數對自由表面出口壓強與速度的影響Fig.9 Influence of surface tension coefficient on pressure and velocity at the exit of free face

接觸角為零時，表面張力系數值取0～50N／mm，計算得到的熔體自由表面出口處壓強與速度如圖9所示。圖9（a）中表面張力系數為零時，自由表面出口處的壓力值接近零但并不等于零，是因為材料的黏度比較大，在自由表面出口附近流體之間產生的小的剪切作用使得流體在自由表面出口處的壓力值不為零。表面張力在自由表面流動負方向的切向分力為：

接觸角與自由表面變形前后夾角φ基本不變時，切向分力隨著表面張力系數的增大而增大，因此負壓增大。圖9（b）中自由表面平均出口速度減小是因為越大的負壓阻礙流體的流動。

表面張力系數取50N／mm，接觸角取值為-50°～50°時得到的自由表面出口壓強與自由表面出口平均速度曲線如圖10所示。

圖10 接觸角對自由表面出口壓強與速度的影響Fig.10 Influence of contact angle on pressure and velocity at the exit of free face

由圖10可知，自由表面出口負壓隨著接觸角的增大先增大后減小。這是因為表面張力對自由平面出口切線分力如式（10）所示，自由表面變形前后夾角φ約為-20°，因此，當接觸角θ約為-20°時，所受的負切向分力最大，因此導致自由表面出口壓強在此處為極值。而隨著接觸角的增大，擠出脹大減小，在進口速度不變時，自由表面出口面積較小，因此出口速度增大。

4 結論

（1）在擠出過程中通道尺寸減小，表面張力對擠出脹大比值的影響增大，當尺寸達到毫米級和微米級時，表面張力成為影響擠出脹大比值主要因素之一；

（2）在微擠出中，表面張力系數越大，擠出脹大越明顯，擠出口模內熔體的進出口壓強都明顯增大，口模內熔體的壓力降略微減小，平均出口速度略微增大，自由表面出口壓力與平均出口速度都明顯減小；

（3）接觸角由負值到正值變化時擠出脹大比值減小，擠出口模內熔體的進出口壓強明顯減小，熔體的壓力降與平均出口速度略微減小，自由表面出口負壓先增大后減小，自由表面平均出口速度增大。

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