Korean Journal of Rheology, Vol.8, No.1, 11-29, March, 1996
단축 압출기에서의 카오스 혼합의 메카니즘과 혼합 성능 정량화
Mechanism and Measure of Chaotic Mixing in a Single-screw Extruder
초록
스크류 채널 내에 주기적으로 배리어를 설치함으로써 단축 스크류 입출 공정에서의 혼합 성능이 높여질 수 있음이 S. J. Kim과 T. H. Kwon에 의해 밝혀진 바 있다. 그들은 이 새로운 스크류를 통한 혼합이 카오틱하는 점으로부터 이 새로운 스크류를 카오스 스크류라고 명명 했다. 우리는 카오스 스크류가 장착된 단축 압출 공정에서 역학계 이론과 혼합 운동학을 연계하여 연구를 수행하였다. 포인카레 단면을 통한 연구로부터 우리는 배리어의 배열이 island의 크기에 대단히 밀접하게 관련되어 있음을 발견하였다. 연속적인 쉘 변형은 카오틱 유동에서 유체 요소를 지수 함수 형태로 늘이는 늘임과 접힘으로 이루어진 카오틱 혼합 메카니즘을 보여 준다. 유체 요소의 국부 늘임은 원리상으로는 계산되어질 수 있으나 수치 해석상의 어려운 점이 있다. 정규 유동에서와 달리 카오틱 유동에서는 입자 추적이 Runge-Kutta적분 중의 시간 간격에 대단히 민감하다. 그래서 실제 사용될 수 있는 시간 간격에 의해 계산된 국부 늘임율 및 혼합 효율의 정확도가 보장되어 지지 않는다. 이러한 점들을 고려하여 우리는 새로운 혼합 척도로 σz를 제안하는데, 이 값은 비교적 긴 유체 선분이 채널 방향을 따라 늘어나는 비에 관련된 값이다. 배리어 영역의 길이가 짧을수록 σz는 큰 값으로 나타나지만 포인카레 단면에 의한 연구에 따르면 배리어의 주기가 너무 짧다면 두개의 거대한 island가 존재하는 것으로 밝혀졌다. 그리고 이러한 사실은 유체 요소의 늘임비가 크다는 것이 항상 좋은 혼합 성능을 뜻하는 것은 아니라는 점을 보여준다. 이러한 관점에서 볼 때 혼합 스크류를 설계하는데 있어서는 포인카레 단면을 병행하여 σz의 값을 사용하는 것이 바락직할 것이다.
S. J. Kim and T. H. Kwon(1.2) have found that mixing in a single screw extrusion process can be enhanced by inserting spatially periodic barriers in the screw channel. They termed this new screw Chaos Screw, since the mixing due to this new screw is chaotic in nature. We exploited the connection between the kinematics of mixing and the theory of dynamical systems in a single-screw extrusion process with the Chaos Screw. From the study via Poin-care section we found that the periodic array of barrier is strongly related to the size of the islands. Continuous de-formation of a shell clearly shows the mechanism of chaotic mixing. namely repetition of stretching and folding, which induces the exponential growth of stretching in the chaotic flow. The local specific rate of stretching of a material line and the mixing efficiency can be evaluated in principle, but with some numerical difficulty. In contrast to a regular flow, the particle tracking is quite sensitive to the time step during the Runge-Kutta integration in the chaotic flow. Therefore the accuracy in determining the local rate of stretching and the mixing efficiency is not guaranteed with a realistic time step. In this regard, as a new measure of mixing, we propose σz which is related to the stretch rate of a relatively long line along the channel direction. The shorter the period of barrier-region is, the larger σz becomes. But according to the study via Poindcare section, when the period is too short, two large islands are found to exist. This fact shows that the large stretch rate of material does not always mean good mixing performance. In this respect, it is desirable to use the σz together with Poincare section in designing the mixing screw.
Keywords:Single-Screw Extruder;Chaos Screw;Chaotic Mixing Mechanism;Mixing Measure;Modified Liaponov Exponent.
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