蓋世汽車訊 在生產輪胎等過程中，利用齒輪泵進行擠出，必須保持較低的溫度。如果溫度過高，材料性質會發生變化，如變得僵硬、流動性不足，從而堵塞泵體。據外媒報道，埃因霍溫科技大學（Eindhoven University of Technology）的博士生Vincent de Bie開發了一種數字模擬方法，以進一步了解和預測流體性質產生的影響。這使通過計算機來試驗這種制造工藝變得更容易，減少了制造氣密性輪胎所需加工的材料量。

（圖片來源：埃因霍溫科技大學）

擠出（extrusion）是一種大批量生產工藝，用于食品、混凝土、金屬和聚合物等材料。在片膜擠出過程中，通常擠出的是具有高寬高比的帶材，可用于生產汽車輪胎等。

有時會在擠出系統中增加一個外齒輪泵，以提高泵送能力。使用這種泵的缺點是，其輸出經常出現波動。De Bie通過有限元方法，對處理高粘度流體的外齒輪泵進行數值研究。結果觀察到，除了齒輪幾何形狀外，流體性質對泵的輸出有很大影響。

泵輸出波動（Fluctuation in the output of pumps）

在外齒輪泵中，齒輪分離產生真空，從而將流體吸入這一空間。當齒間容積被泵外殼封閉時，流體被困在其中，并被輸送至齒輪的另一邊。由于齒輪交互重疊，流體被推進外部齒輪泵。流體通常被推過一個狹窄的模口，因此在出口處經常觀察到高壓現象。許多研究表明，泵輸出存在波動性。

這種所謂的波紋（ripple）主要是齒輪幾何形狀的結果，其頻率與齒輪的齒數有關。顯而易見，輸出中存在波紋是不理想的，這會導致擠出過程中的尺寸不一致。有幾項研究試圖數字預測波紋。然而，大多數研究考量的是牛頓流體和湍流。在聚合物擠出過程中，通常呈層流狀態，流體的性質取決于變形率、壓力和/或溫度。

De Bie的研究目標是，對外齒輪泵的高粘度流體進行流體流動模擬。其使用有限元方法開發了一種數值模擬，其中的流體模型可以改變。該研究團隊希望了解流體性質對波紋和泵效率的影響，因此研究了流體性質中變形率、壓力和溫度依賴性產生的影響。

為了能在汽車工業中應用這種模擬，甚至還模擬了橡膠的反應過程，即硫化?，F在，可以觀察到橡膠擠出過程中的局部（預）硫化。對于這些固化流體而言，應盡可能縮短其在泵中的停留時間。因此，也可以使用對流方程或通過粒子跟蹤，來跟蹤停留時間。

周期性接觸釋放（Periodic release of contact）

研究人員通過二維數值模擬發現，當外齒輪泵的轉速較低，流體粘度較差，且存在高壓差時，泵的效率會下降。此外，在外齒輪泵的入口通道中，還觀察到具有高停留時間的意外區域。

然而，由于泵的軸向間隙通常非常窄，通過增加第三維獲得的額外信息是有限的。如果將其中一個齒輪的轉速作為未知數添加到模擬中，那么本項目中研究的大多數粘性流體，都可以觀察到周期性接觸釋放。對兩種三元乙丙橡膠（EPDM）進行比較實驗的結果表明，在材料性質中，剪切速率、溫度和壓力依賴性，對于獲得可接受的實驗結果是必不可少的。

通過這項研究，De Bie進一步了解流體性質如何影響外齒輪泵的輸出。未來幾年，將在輸出預測和計算時間方面，對目前的數值模擬進行改進。這需要對各種材料進行驗證，以便確定哪種流體、當前模擬的充足程度，以及何時需要擴展。

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