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【技术探究】基于CFD的冰箱门体发泡过程模拟方法(上)

1、引言

     聚氨酯泡沫具有质量轻、比强度高、不透水、不吸湿、绝缘、防震等优异性能。冰箱门体内硬质聚氨酯绝热层是由发泡过程得到,整个制备过程如图1,其中发泡反应过程相当复杂,主要有两种反应过程,凝胶反应和发泡反应,反应模型示意过程如图2。由于发泡反应过程参数冗杂且不易控制,会导致发泡层在新设计的结构件中分布不均匀,致使该结构在温度场下产生一定的形变,进而影响到整个产品的使用性能。但是,目前针对新设计结构的发泡过程工艺参数调整主要依据经验及实体验证数据,缺乏一些能够提供工艺决策的理论分析模型及方法,因此,对于保温层中硬质聚氨酯材料发泡过程的研究越来越多。于洋等(2011)通过建立聚氨酯泡沫发泡过程化学反应程度的标量方程以及考虑化学反应放热和物理发泡剂蒸发吸热效果,模拟出聚氨酯在二维平面内的膨胀流动仿[1]H?Abdessalam等(2015)建立了包括化学反应和热流变学的理论模型,基于该模型采用有限元方法对聚氨酯泡沫塑料充型过程进行了数值模拟[2]同样还是H?Abdessalam等(2017)考虑了主要化学反应、放热效应以及热流变耦合进行泡沫充型过程仿真,提出了一种预测柔性聚氨酯泡沫材料的声学特性的方法[3]??Bedii ?zdemir等(2017)开发了一种聚氨酯的流动模型,通过模拟泡沫在冰箱橱柜的填充过程,可以改善通风口的位置和尺寸大小[4]本文忽略了其化学反应过程,采用分段常数密度以及黏度的思路来代替聚氨酯在流动膨胀过程中的密度及黏度变化,采用注塑填充方法来近似模拟聚氨酯的流动膨胀过程。本文研究重点就是验证聚氨酯在简单型腔内的流动状态是否与实际相符合,从而应用到实际冰箱门体上,观察硬质聚氨酯在实际模型里的充型状态,以期后期测量保温层各个特征点的密度是否满足生产要求。

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2、发泡过程分析

2.1 聚氨酯充型的基本过程描述

硬质聚氨酯泡沫膨胀流动过程的仿真,首先需要了解参与聚氨酯泡沫化学反应的材料以及重要的化学反应过程,这是因为发泡过程所涉及的反应众多,所以只研究反应体系中的关键材料和关键化学反应[1]

2.2 主要原材料

(1)MDI

特性:粗制MDI尤其是PAPI是制备硬质聚氨酯泡沫最主要的多异氰酸酯化合物。它的特点是官能度高、蒸气压低、气味小、毒性低。冰箱用MDI技术要求如表1。

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2.3 主要化学反应

充型过程的化学反应十分复杂,但是主要有两个反应,即为凝胶反应和发泡反应。

凝胶反应:是由异氰酸酯和多元醇反应生成聚氨酯,如公式(1):

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发泡反应:是由异氰酸酯和白料里面的水发生反应,反应形成的氨基甲酸是中间产物,氨基甲酸分解成胺和二氧化碳,由S?A ?Baser(1994)[5]提出的简化模型,如公式(2):

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