摘要 I Abstract Ⅱ 誌謝 XI 目錄 XII 表目錄 XVII 圖目錄 XVIII 符號索引 XXVII 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 熔噴法介紹 2 1.3 文獻回顧 3 1.3.1 聚合物拉伸模型文獻 3 1.3.2 氣流場數值模擬文獻 6 1.4 研究動機與目的 8 第二章 研究方法 16 2.1 氣流速度場、溫度場設計 16 2.1.1 參數化拉伸氣流速度場 16 2.1.2 參數化拉伸氣流溫度場 17 2.1.3 參數化拉伸氣流場參數設定 18 2.2 熔噴聚合物拉伸模型介紹 19 2.2.1 熔噴拉伸基本假設 19 2.2.2 熔噴聚合物受力介紹 19 2.2.3 聚合物拉伸理論模型 20 2.2.4 數值求解方法 22 2.2.5 邊界條件 23 2.2.6 聚合物選用 25 2.3 超音速噴嘴理論介紹 26 2.3.1 理想氣體之等熵流動 26 2.3.2 等熵流動之截面變化與流動特性關係 26 2.3.3 氣體溫度、壓力、密度與馬赫數之關係 29 2.3.4 氣體質量流率與噴嘴輪廓 30 2.4 氣體流場之基本方程式 31 第三章 參數化拉伸氣流場於聚合物拉伸模型模擬結果 40 3.1 參數化氣流場mup4、Vmax=300m/s展示聚合物拉伸模型過程與不同邊界條件比較 40 3.2 參數化拉伸氣流場最高速Vmax=300m/s、400m/s之mup1~mup4模擬結果 42 3.3 參數化拉伸氣流場氣流最高速Vmax=500m/s、600m/s之mup1~mup4模擬結果 44 3.4 參數化拉伸氣流場氣流最高速Vmax=300m/s~600m/s模擬結果討論--------------- 45 第四章 噴嘴設計與氣流場數值模擬 55 4.1 計算流體力學軟體FLUENT介紹 55 4.2 超音速噴嘴輪廓設計 55 4.3 超音速熔噴噴嘴幾何圖形與邊界條件設置 56 4.4 網格獨立性分析 57 4.5 超音速熔噴噴嘴Nozzle1、Nozzle2、Nozzle3數值模擬結果與討論 ------------------------------------------------------------------------57 4.5.1 超音速熔噴噴嘴Nozzle1、Nozzle2、Nozzle3氣流壓力場、速度場、馬赫數模擬結果與討論 58 4.5.2 超音速熔噴噴嘴Nozzle1、Nozzle2、Nozzle3氣流溫度場、密度場模擬結果與討論 59 4.6 未加裝超音速噴嘴之幾何圖形與邊界條件設置 60 4.7 未加裝超音速噴嘴之幾何圖形模擬結果 61 4.7.1 不同質量流率入口 氣流壓力場、速度場、馬赫數模擬結果與討論 61 4.7.2 不同質量流率入口 氣流溫度場、密度場模擬結果與討論 62 4.8 未加裝超音速噴嘴No Supersonic Nozzle之 與超音速熔噴噴嘴Nozzle1~ Nozzle3模擬結果比較 62 4.8.1 未加裝超音速噴嘴No Supersonic Nozzle之 狀態與超音速熔噴噴嘴Nozzle1模擬結果比較 62 4.8.2 未加裝超音速噴嘴No Supersonic Nozzle之 狀態與超音速熔噴噴嘴Nozzle2模擬結果比較 63 4.8.3 未加裝超音速噴嘴No Supersonic Nozzle之 狀態與超音速熔噴噴嘴Nozzle3模擬結果比較 64 第五章 氣流場數值模擬結果於聚合物拉伸模型模擬 89 5.1 超音速熔噴噴嘴Nozzle1、Nozzle2、Nozzle3氣流場於 聚合物質量流率模擬結果與討論 89 5.1.1 超音速熔噴噴嘴Nozzle1氣流場於 聚合物質量流率模擬結果 89 5.1.2 超音速熔噴噴嘴Nozzle2氣流場於 聚合物質量流率模擬結果 90 5.1.3 超音速熔噴噴嘴Nozzle3氣流場於 聚合物質量流率模擬結果 91 5.1.4 超音速熔噴噴嘴Nozzle1、Nozzle2、Nozzle3氣流場於 聚合物質量流率模擬結果討論 91 5.2 未加裝超音速噴嘴No Supersonic Nozzle之 氣流場於 聚合物質量流率拉伸結果與討論 92 5.2.1 未加裝超音速噴嘴No Supersonic Nozzle之 氣流場於 聚合物質量流率拉伸結果 92 5.2.2 未加裝超音速噴嘴No Supersonic Nozzle之 氣流場於 聚合物質量流率拉伸結果 92 5.2.3 未加裝超音速噴嘴No Supersonic Nozzle之 氣流場於 聚合物質量流率拉伸結果 93 5.3 拉伸聚合物直徑1%所需之氣流尺度估計 94 5.3.1 狀態之聚合物討論 95 5.3.2 狀態之聚合物討論 96 第六章 結論與未來工作 110 6.1 結論 110 6.2 未來工作 111 第七章 參考文獻 112 表目錄 表2-1 氣流場設計最高速度Vmax與上升斜率對應mup 33 表4-1 Nozzle1、Nozzle2、Nozzle3壓力入口邊界條件參數 65 表4-2 Nozzle1、Nozzle2、Nozzle3壓力出口邊界條件參數 65 表4-3 No Supersonic Nozzle質量流率入口邊界條件參數 66 表4-4 No Supersonic Nozzle壓力出口邊界條件參數 66 圖目錄 圖1-1 熔噴原理示意圖[8] 10 圖1-2 一維聚合物拉伸模型實驗與預測結果圖[4] 10 圖1-3 固化點(freeze point)與停滯點(stop point)邊界條件模擬結果比較圖[5] -------------------------------------------------------------------------11 圖1-4 一維與二維聚合物拉伸模型模擬結果比較圖[5] 11 圖1-5 牛頓流體與非牛頓流體模擬結果與實驗結果比較圖[6] 12 圖1-6 文獻[8]於流場中引入平板區域(plateau) 12 圖1-7 文獻[14]氣流噴嘴示意圖 13 圖1-8 文獻[15]加裝輔助噴嘴之熔噴噴嘴示意圖 13 圖1-9 文獻[15]加裝輔助噴嘴之熔噴噴嘴實測值與模擬值比較圖---------------- 14 圖1-10 文獻[19]加裝Laval噴嘴於熔噴過程之不同入口壓力氣流馬赫數模擬圖 14 圖1-11 文獻[19]加裝Laval噴嘴於熔噴過程之不同入口壓力氣流溫度模擬圖 -------------------------------------------------------------------------15 圖2-1 研究流程圖 33 圖2-2 熔噴過程微小聚合物受力示意圖 34 圖2-3 非等截面等熵流動 34 圖2-4 氣流場參數化示意圖 35 圖2-5 參數化拉伸氣流速度場與溫度場對應圖 35 圖2-6 最高速氣流場Vmax=300m/s及對應溫度場 36 圖2-7 最高速氣流場Vmax=400m/s及對應溫度場 36 圖2-8 最高速氣流場Vmax=500m/s及對應溫度場 37 圖2-9 最高速氣流場Vmax=600m/s及對應溫度場 37 圖2-10 最高速氣流場Vmax=300m/s之馬赫數 38 圖2-11 最高速氣流場Vmax=400m/s之馬赫數 38 圖2-12 最高速氣流場Vmax=500m/s之馬赫數 39 圖2-13 最高速氣流場Vmax=600m/s之馬赫數 39 圖3-1 參數化拉伸氣流場mup4、Vmax=300m/s於聚合物拉伸模型中各外力隨z軸變化圖 46 圖3-2 參數化拉伸氣流場mup4、Vmax=300m/s於聚合物拉伸模型之固化點邊界條件 46 圖3-3 參數化拉伸氣流場mup4、Vmax=300m/s於聚合物直徑拉伸結果與各外力隨z軸變化 47 圖3-4 參數化拉伸氣流場mup4、Vmax=300m/s於聚合物拉伸模型之固化點與停滯點結果比較 47 圖3-5 參數化拉伸氣流場最高速Vmax=300m/s、mup1~ mup4與聚合物直徑模擬結果圖 48 圖3-6 參數化拉伸氣流場最高速Vmax=300m/s、mup1~ mup4與聚合物速度模擬結果圖 48 圖3-7 參數化拉伸氣流場最高速Vmax=300m/s、mup1~ mup4聚合物溫度與氣流溫度模擬結果圖 49 圖3-8 參數化拉伸氣流場最高速Vmax=400m/s、mup1~ mup4與聚合物直徑模擬結果圖 49 圖3-9 參數化拉伸氣流場最高速Vmax=400m/s、mup1~ mup4與聚合物速度模擬結果圖 50 圖3-10 參數化拉伸氣流場最高速Vmax=400m/s、mup1~ mup4聚合物溫度與氣流溫度模擬結果圖 50 圖3-11 參數化拉伸氣流場最高速Vmax=500m/s、mup1~ mup4與聚合物直徑模擬結果圖 51 圖3-12 參數化拉伸氣流場最高速Vmax=500m/s、mup1~ mup4與聚合物速度模擬結果圖 51 圖3-13 參數化拉伸氣流場最高速Vmax=500m/s、mup1~ mup4聚合物溫度與氣流溫度模擬結果圖 52 圖3-14 參數化拉伸氣流場最高速Vmax=600m/s、mup1~ mup4與聚合物直徑模擬結果圖 52 圖3-15 參數化拉伸氣流場最高速Vmax=600m/s、mup1~ mup4與聚合物速度模擬結果圖 53 圖3-16 參數化拉伸氣流場最高速600m/s、mup1~ mup4聚合物溫度與氣流溫度模擬結果圖 53 圖3-17 參數化拉伸氣流場最高速Vmax=300m/s~600m/s、mup1~ mup4聚合物直徑模擬結果圖 54 圖4-1 參數化拉伸氣流場mup1、Vmax=500、600、700m/s氣流速度與溫度場--------------------------------------------------------------------------67 圖4-2 參數化拉伸氣流場mup1、Vmax=500、600、700m/s氣流馬赫--------------------------------------------------------------------------------------67 圖4-3 Vmax=500m/s、600m/s、700m/s噴嘴輪廓隨z軸變化 68 圖4-4 超音速熔噴噴嘴Nozzle1尺寸 68 圖4-5 超音速熔噴噴嘴Nozzle2尺寸 69 圖4-6 超音速熔噴噴嘴Nozzle3尺寸 69 圖4-7 超音速熔噴噴嘴Nozzle1邊界條件 70 圖4-8 超音速熔噴噴嘴Nozzle2邊界條件 70 圖4-9 超音速熔噴噴嘴Nozzle3邊界條件 71 圖4-10 超音速熔噴噴嘴Nozzle1網格獨立性測試 71 圖4-11 超音速熔噴噴嘴Nozzle2網格獨立性測試 72 圖4-12 超音速熔噴噴嘴Nozzle3網格獨立性測試 72 圖4-13 Nozzle1、Nozzle2、Nozzle3氣流壓力場模擬結果 73 圖4-14 Nozzle1、Nozzle2、Nozzle3氣流速度場模擬結果 73 圖4-15 Nozzle1、Nozzle2、Nozzle3氣流馬赫場模擬結果 74 圖4-16 Nozzle1、Nozzle2、Nozzle3中心線氣流壓力場 74 圖4-17 Nozzle1、Nozzle2、Nozzle3中心線氣流速度場與參數化拉伸氣流速度場(Va setting)比較圖 75 圖4-18 Nozzle1、Nozzle2、Nozzle3中心線氣流馬赫場與參數化拉伸氣流馬赫場(Ma setting)比較圖 75 圖4-19 Nozzle1、Nozzle2、Nozzle3氣流溫度場模擬結果 76 圖4-20 Nozzle1、Nozzle2、Nozzle3氣流密度場模擬結果 76 圖4-21 Nozzle1、Nozzle2、Nozzle3中心線氣流溫度場與參數化拉伸氣流溫度場(Ta setting)比較圖 77 圖4-22 Nozzle1、Nozzle2、Nozzle3中心線氣流密度場 77 圖4-23 未加裝超音速噴嘴之幾何圖形No Supersonic Nozzle 78 圖4-24 未加裝超音速噴嘴之幾何圖形No Supersonic Nozzle邊界條件-------------------------------------------------------------------------- ---------78 圖4-25 No Supersonic Nozzle之 壓力場模擬結果-------------- 79 圖4-26 No Supersonic Nozzle之 速度場模擬結果------------------ 79 圖4-27 No Supersonic Nozzle之 馬赫場模擬結果------------------------------------------------------------------------------------80 圖4-28 No Supersonic Nozzle之 中心線位置壓力場--------------------------------------------------------------------------------- 80 圖4-29 No Supersonic Nozzle之 中心線位置速度場---------------- 81 圖4-30 No Supersonic Nozzle之 中心線位置馬赫場---------------- 81 圖4-31 No Supersonic Nozzle之 溫度場模擬結果-------------------- 82 圖4-32 No Supersonic Nozzle之 密度場模擬結果------------------------ 82 圖4-33 No Supersonic Nozzle之 中心線位置溫度場---------------- 83 圖4-34 No Supersonic Nozzle之 中心線位置密度場----------------------- 83 圖4-35 No Supersonic Nozzle之 與Nozzle1氣流速度模擬結果---------------------- 84 圖4-36 No Supersonic Nozzle之 與Nozzle1氣流溫度模擬結果-------------- 84 圖4-37 No Supersonic Nozzle之 與Nozzle1氣流密度模擬結果--------------------- 85 圖4-38 No Supersonic Nozzle之 與Nozzle2氣流速度模擬結果------------------- 85 圖4-39 No Supersonic Nozzle之 與Nozzle2氣流溫度模擬結果--------------------- 86 圖4-40 No Supersonic Nozzle之 與Nozzle2氣流密度模擬結果------------- 86 圖4-41 No Supersonic Nozzle之 與Nozzle3氣流速度模擬結果------------------------- 87 圖4-42 No Supersonic Nozzle之 與Nozzle3氣流溫度模擬結果----------------------------------------------------------------------------------- 87 圖4-43 No Supersonic Nozzle之 與Nozzle3氣流密度模擬結果------------------------------------------------------------------------------------ 88 圖5-1 超音速熔噴噴嘴Nozzle1氣流速度與聚合物速度模擬結果------------------------------------------------------------------------------------ 98 圖5-2 超音速熔噴噴嘴Nozzle1氣流速度與聚合物直徑模擬結果------------------------------------------------------------------------------------ 98 圖5-3 超音速熔噴噴嘴Nozzle1氣流溫度與聚合物溫度模擬結果------------------------------------------------------------------------------------ 99 圖5-4 超音速熔噴噴嘴Nozzle2氣流速度與聚合物速度模擬結果------------------------------------------------------------------------------------ 99 圖5-5 超音速熔噴噴嘴Nozzle2氣流速度與聚合物直徑模擬結果------------------------------------------------------------------------------------ 100 圖5-6 超音速熔噴噴嘴Nozzle2氣流溫度與聚合物溫度模擬結果------------------------------------------------------------------------------------ 100 圖5-7 超音速熔噴噴嘴Nozzle3氣流速度與聚合物速度模擬結果----------------------------------------------------------------------------------- 101 圖5-8 超音速熔噴噴嘴Nozzle3氣流速度與聚合物直徑模擬結果----------------------------------------------------------------------------------- 101 圖5-9 超音速熔噴噴嘴Nozzle3氣流溫度與聚合物溫度模擬結果------------------------------------------------------------------------------------ 102 圖5-10 未加裝超音速噴嘴 氣流速度與聚合物速度模擬結果------------------------ 102 圖5-11 未加裝超音速噴嘴 氣流速度與聚合物直徑模擬結果------------------------------------------------------------------------------------ 103 圖5-12 未加裝超音速噴嘴 氣流溫度與聚合物溫度模擬結果---------------------- 103 圖5-13 未加裝超音速噴嘴 氣流速度與聚合物速度模擬結果------------------ 104 圖5-14 未加裝超音速噴嘴 氣流速度與聚合物直徑模擬結果--------------------- 104 圖5-15 未加裝超音速噴嘴 氣流溫度與聚合物溫度模擬結果--------------------- 105 圖5-16 未加裝超音速噴嘴 氣流速度與聚合物速度模擬結果-------------------- 105 圖5-17 未加裝超音速噴嘴 氣流速度與聚合物直徑模擬結果---------------------- 106 圖5-18 未加裝超音速噴嘴 氣流溫度與聚合物溫度模擬結果--------------------- 106 圖5-19 不同氣流場於 之聚合物最終直徑圖 107 圖5-20 聚合物直徑由700μm每dz=0.00005m改變1%之假設圖-------------- 107 圖5-21 聚合物直徑假設圖之流變力Fr隨位置變化 108 圖5-22 聚合物質量流率下不同聚合物直徑下變化1%所需之氣流速度圖 108 圖5-23 聚合物質量流率下不同聚合物直徑下變化1%所需之氣流速度圖 109