中文摘要：

密炼机在混炼过程中的胶料部分充满密炼室状态导致密炼机内胶料流动的数值模拟中出现流动自由面，针对数值模拟中胶料流动自由面追踪问题，本项目提出通过对上一时刻速度场在时间增量上积分，计算流体质点流动路径，来确定经过一个时间增量后胶料流动自由面和胶料在密炼室内的空间分布。在各时间增量点，建立胶料非等温、非牛顿粘性流体、三维有限元模型进行数值模拟分析，并实验验证数值模拟分析结果。通过数值模拟研究，揭示胶料在密炼室内的瞬时空间分布和流动规律，阐明密炼机转子参数和工艺参数对胶料流动参数的影响，提出优化转子参数和工艺参数的途径,实验验证提出密炼机工艺参数的优化途径。通过本课题对密炼机内胶料流动数值模拟分析，可以加深认识和掌握密炼机胶料密炼的流动规律，指导开发设计高混炼质量、低能耗的密炼机转子和为密炼机工业应用提供科学依据。本课题研究具有很强的理论和应用价值。

结论摘要：

混炼是橡胶加工中的一个重要环节。混炼质量直接关系到胶料的加工工艺性能和制品的使用性能和寿命。密炼机是橡胶工业一种广泛使用和混炼质量高的混炼设备，据粗略估计，我国每年有近600万吨混炼胶是通过密炼机生产的，密炼机的使用性能直接决定着胶料的混炼质量。胶料在密炼机内的混炼过程大致可以分为五个阶段破碎、混入、分散混合、分布混合以及塑化，在混炼的初始阶段，橡胶和固体填料被破碎以及相互混和，胶料大都表现为固体特性，随着混炼的进行，胶料逐步呈现流体行为，因此可以通过流体力学分析来研究密炼机的混炼过程和混炼机理，大多数对密炼机混炼机理的理论研究都采用了这样的方法。应用粘性流体理论研究密炼机混炼过程是一个在复杂求解区域（几何形状复杂的密炼室）上求解流体力学基本方程的问题。对这样问题，解析法无能为力，只能采用数值分析方法。而在数值分析方法中，对解决基本方程和求解区域两者都比较复杂的问题，有限单元法是一种行之有效的数值分析工具，特别是随着各种大型有限元软件（ANSYS、MARC、ABAQUS、POLYFLOW、FLUENT等等）的开发使用和计算机硬件技术的飞速发展，目前它已经广泛地应用于科学研究和工程应用的各个领域。大多数数值模拟研究胶料在密炼机内混炼过程中的流动大都基于密炼室全充满这一假设，而在密炼机混炼中，为了获得较好混炼效果，密炼室内并不是全部充满胶料，而是存在着一个填充系数，实际胶料体积是密炼室总容积与填充系数的乘积。全充满状态下数值模拟分析所施加的速度、压力、温度等边界条件与部分充满状态下的真实速度、压力、温度等边界条件存在差值，因此全充满状态下的数值模拟分析结果并不能反映部分充满状态下真实的胶料流动。本研究使用流体力学分析软件FLUENT，结合VOF模型和动网格技术数值模拟部分充满条件下的二维、瞬态胶料流动。为提高部分充满条件下的流动自由面的追踪精度，提出了一种新方法，即当转子转过一定角度，停止软件计算，根据当前转子相位角的胶料空间分布的计算结果，对胶料区域人工重新进行网格划分，减小转子转动过程中胶料空间重新分布的计算累计误差，获得较为精确的清晰的胶料自由界面，并分析了流场的速度分布、压力分布、混合指数分布和剪切应力分布。对新型4:1转子与传统剪切型转子的密炼流场进行比较分析，结果表明新型4:1转子极大地促进了密炼机的分布混合能力，达到优化传统剪切型转子构的目的。