噴流模擬擠出現象

圖 6-14 至圖 6-18 分別為溶液用盡前(推板停止前)，不同推擠速度的噴 流瞬時圖。圖 6-14 為 40 m/s 系統，當推板至 3/8 的部分時(54 ps)溶液到達 出口處隨後溶液開始噴出，在靠近出口區的聚氧乙烯也因為孔口縮小使速 度加快而首先離開噴嘴；在推板至 5/8 處時(90 ps)已經有相當比例的溶液噴 出，可以觀察到溶劑有揮發的現象，此外噴嘴表面產生潤溼(wetting)的現 象，在文獻¹⁰同樣可以觀察到相似的情形。在推板至 6/8 處時，產生的液處 明顯的偏移，這是因為高分子的擾動牽引液柱的流向導致偏移；直至最後 可以發現，由於推板速度 40 m/s 的軸向速度貢獻不大，溶液在擠出後在噴 嘴出口附近會傾向聚集成為一液滴，該現象也有可能是添加高分子所導致 的結果。最後所有的高分子會聚集在一起後形成一個較大的溶液滴，隨後 從液柱中斷裂。

圖 6-15 為 80 m/s 系統，推板增加兩倍的速度後在溶液剛噴出之前其實 是沒有明顯的差別，在推板至 5/8 處開始有些許差異，可以發現潤溼的現象 至此仍不明顯；到了 6/8 處時，在相同的推板距離產生的液柱長度比 40 m/s 來的長，此外高分子的擾動對液柱的影響較不明顯，但是仍然可見有高分 子處會有溶液聚集的現象；在推板至 7/8 處時，由於推速增加使溶液溫度上 升較多，揮發的程度相對提高，同時高分子不再全部聚集在一起而分為兩 個部分，在前面的部分同樣傾向形成一顆液滴，然而後方的高分子所在的 地方卻發生液柱斷裂的情形；最後在溶液用盡時液柱發生斷裂，同時也是 所有系統中唯一在墨料用盡之前就發生液柱斷裂。然而斷裂的液柱及液滴 同樣有偏移且大小不一的結果，這也是因為高分子所導致的結果。

圖 6-16 為 120 m/s 系統，同樣可以發現在剛噴出溶液之前並沒有明顯

揮發溶劑)反而比 80 m/s 的推擠速度來的短，即使速度再上升至 200 m/s 也 是相同的結果，這是因為在 80 m/s 的系統下，液柱發生自然斷裂的情形，

最前端的液滴受後方液柱吸引力逐漸變小，最後液滴將以斷裂時的速度等 速向前飛行。然而，較快的推擠速度之所以無法在溶液用盡前發生斷裂，

因為推擠速度過快溶液來不及發生斷裂現象便用盡。除此之外，120 m/s 雖 然噴流液柱的軸心並不會偏移，然而高推速使溶液溫度上升的更多，揮發 更加的明顯，甚至液柱發生類似破裂的情形。圖 6-17 及圖 6-18 分別為 160 m/s 及 200 m/s 的噴流系統。從圖中可以看到與 120 m/s 的結果十分相似，

但是揮發的情形更加的嚴重，最後液柱破裂的狀況更加的明顯，也因此潤 溼的情形也較輕微。

到目前為止可以瞭解，過快的推板速度將產生嚴重的溶劑揮發，無法 產生良好的噴流；然而，推板速度慢高分子的擾動將影響液柱及液滴的控 制。

1/8 推版位置 - 18 ps 5/8 推版位置 - 90 ps

2/8 推版位置 - 36 ps 6/8 推版位置 - 108 ps

3/8 推版位置 - 54 ps 7/8 推版位置 - 126 ps

4/8 推版位置 - 72 ps 8/8 推版位置 - 144 ps

圖 6-14 推擠速度 40 m/s 聚氧乙烯水溶液噴流過程圖

1/8 推版位置 - 9 ps 5/8 推版位置 - 45 ps

2/8 推版位置 - 18 ps 6/8 推版位置 - 54 ps

3/8 推版位置 - 27 ps 7/8 推版位置 - 63 ps

4/8 推版位置 - 36 ps 8/8 推版位置 - 72 ps

圖 6-15 推擠速度 80 m/s 聚氧乙烯水溶液噴流過程圖

1/8 推版位置 - 6 ps 5/8 推版位置 - 30 ps

2/8 推版位置 - 12 ps 6/8 推版位置 - 36 ps

3/8 推版位置 - 18 ps 7/8 推版位置 - 42 ps

4/8 推版位置 - 24 ps 8/8 推版位置 - 48 ps

圖 6-16 推擠速度 120 m/s 聚氧乙烯水溶液噴流過程圖

1/8 推版位置 - 5 ps 5/8 推版位置 - 23 ps

2/8 推版位置 - 9 ps 6/8 推版位置 - 27 ps

3/8 推版位置 - 14 ps 7/8 推版位置 - 32 ps

4/8 推版位置 - 18 ps 8/8 推版位置 - 36 ps

圖 6-17 推擠速度 160 m/s 聚氧乙烯水溶液噴流過程圖

1/8 推版位置 - 4 ps 5/8 推版位置 - 18 ps

2/8 推版位置 - 7 ps 6/8 推版位置 - 22 ps

3/8 推版位置 - 11 ps 7/8 推版位置 - 25 ps

4/8 推版位置 - 15 ps 8/8 推版位置 - 29 ps

圖 6-18 推擠速度 200 m/s 聚氧乙烯水溶液噴流過程圖

根據先前所看到的瞬時圖，推擠速度較快的 120 m/s 系統似乎是較佳的 選擇，而再提升速度的系統，除了揮發更加劇烈之外並不遜於 120 m/s 的系 統，然而僅觀察瞬時圖並不足以了解噴嘴內部及噴出後的液柱及液滴的狀 況，因此更進一步透過分析二維的分佈圖更深入的了解噴流的情形。本研 究為供需式推擠形噴流模擬研究，為一次性擠出的研究，此外噴出之液柱 在噴流瞬時圖中可以發現並非完美的軸對稱，因此二維分佈圖統計方式採 用延 XZ 平面切割立方體之網格並進行統計，僅討論通過原心的截面部分，

網格的邊長為 0.4 nm。如此的作法對於噴嘴內部已經足夠呈現其特性，而 噴出的溶液部分雖然無法觀察到完整特性，但是對於探討液柱尚未有明顯 擾動前的噴流情形，仍然可以觀察到某些定性的現象。

圖 6-19 為不同推板速度推擠至 6/8 處的 XZ 截面密度分佈圖。噴嘴內 部的密度因擠壓而提高，在接近出口後因為溶液的釋放密度快速的下降；

在 80 m/s 的系統中，可以發現液柱即將發生斷裂，在瞬時圖中只看的到噴 出溶液的外觀，所以並不明顯。當推擠速度更加提升時，隨著速度的增加 揮發的情況更為劇烈，說明了在推擠速度過快的情況下，瞬時圖中溶液外 觀雖然看似形成液柱，但是實際上由於溫度的提升，密度早就已經大幅下 降而開始進行相變化。

除此之外，在推擠速度為 40 m/s 的系統中呈現一個特殊的現象，噴嘴 內部溶液延 Z 軸方向形成層狀的密度分佈。對於該現象更進一步的研究，

發現在推擠速度較低的三個模擬中 (40 m/s、80 m/s 及 120 m/s) 都有分層的 現象，如圖 6-20 所示，然而隨著速度的增加會愈趨向不明顯，在 160 m/s 及 200 m/s 的二維密度分佈圖中則完全看不到這樣的現象。造成分層的原因 可能來自於推板所施加的壓力，隨著壓力的傳遞及釋放所呈現的特殊現象。

40 m/s – 6/8

80 m/s – 6/8

120 m/s – 6/8

160 m/s – 6/8

200 m/s – 6/8

圖 6-19 不同推擠速度於 6/8 推板位置之二維密度分佈圖

40 m/s – 5/8

80 m/s – 5/8

120 m/s – 5/8

圖 6-20 不同推擠速度於 5/8 之二維密度分佈圖呈現分層現象

針對於層狀的特殊現象，更進一步的分析壓力分佈圖，觀察密度的分 層是否與壓力有關聯。圖 6-21 為二維壓力分佈圖，溶液在噴嘴中因為受到 推板擠壓，加上與噴嘴間的作用力及收縮區的阻擋，壓力提升到相當高的 數值；推板速度愈快，在相同的推板位置下內部壓力愈高；而溶液再接近 噴嘴出口時開始快速降壓，在噴出後降至最低點。而噴嘴內部壓力所呈現 的分佈與密度分佈圖一致，在 40 m/s 的部分能明顯的觀察到層狀的現象，

然而 80 m/s 與 120 m/s 並不明顯。

40 m/s – 5/8

80 m/s – 5/8

120 m/s – 5/8

圖 6-21 不同推擠速度於 5/8 之二維壓力分佈圖呈現分層現象

為了更精確的斷定分層現象，統計延噴嘴出口方向的線性圖，在圖中 將分為四個區域，分別為推擠區、收縮區、出口區及噴流區進行討論，如 圖 6-22 所示。圖 6-23 為各推擠速度推至 5/8 處的密度曲線圖，由圖中可 見密度在推擠區接近板處有較高的數值，當溶液進入收縮區時因為傾斜面 的阻擋及出口收縮讓密度出現了最大值，隨後在出口區因溶液在噴流區的 釋放而快速下降。除此之外，可以發現確實只有在 40 m/s 的慢推擠速度下 曲線才會有明顯的波動現象(即二維分佈圖中的分層現象)。

圖 6-22 噴嘴區域幾何示意圖

0 2 4 6 8 10 12 14

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Ⅳ

density (g/cm3 )

Z (nm)

40 m/s 80 m/s 120 m/s

Ⅲ

Ⅰ Ⅱ

圖 6-23 不同推擠速度在 5/8 推板位置之密度與軸向座標關係圖

0 2 4 6 8 10 12 14 0

2 4 6 8 10 12

P* (166MPa)

Z (nm)

40 m/s 80 m/s 120 m/s

Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

圖 6-24 不同推擠速度在 5/8 推板位置之壓力與軸向座標關係圖

到目前為此，可以確定 40 m/s 當推板推到 5/8 時會產生層狀的密度及 壓力分佈，然而是否在推擠的全部過程都有該現象，亦或者是放入的材料 在為推擠前就已經有該現象，對此更進一步進行討論。圖 6-25 為 40 m/s 系統在推擠到不同位置時的密度圖，當溶液持續推擠密度也隨之上升，當 推至 5/8 平均密度升至最高。除此之外，也可以發現到只有在執行大約一半 的推擠過程後，密度上升到最高時才有波動的現象，其餘的波動過小屬於 誤差範圍內。圖 6-28 為壓力在各推板位置的壓力圖，可以發現與密度圖十 分相似的結果。

然而為何只有在推板推擠速度較緩慢的情況下才會發生層狀現象，可 能是推板推擠較慢時，當接近推板處的溶液受擠壓，累積一定程度的壓力 後開始向噴口方向傳遞，而傳遞的速度比推板來的快速，因此出現類似以 手撥水時所產生的水波動現象。此外層狀現象如此的明顯以及壓力數值非

能來至於系統太小而溶液黏度過高 (聚氧乙烯可做為增稠劑)，使溶液在噴

density (g/cm3 )

Z (nm)

density (g/cm3 )

Z (nm)

Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

圖 6-26 推擠速度 80 m/s 在不同推板位置之密度與 Z 軸關係圖

0 2 4 6 8 10 12 14 0.0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

density (g/cm3)

Z (nm)

1/8 3/8 5/8

Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

圖 6-27 推擠速度 120 m/s 在不同推板位置之密度與 Z 軸關係圖

0 2 4 6 8 10 12 14

0 2 4 6 8 10 12

P* (166 MPa)

Z (nm)

1/8 3/8 5/8

Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

圖 6-28 推擠速度 40 m/s 在不同推板位置之壓力與 Z 軸關係圖

0 2 4 6 8 10 12 14 0

2 4 6 8 10 12

P* (166 MPa)

Z (nm)

1/8 3/8 5/8

Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

圖 6-29 推擠速度 80 m/s 在不同推板位置之壓力與 Z 軸關係圖

0 2 4 6 8 10 12 14

0 2 4 6 8 10 12

P* (166 MPa)

Z (nm)

1/8 3/8 5/8

Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

圖 6-30 推擠速度 120 m/s 在不同推板位置之壓力與 Z 軸關係圖

討論一連串噴嘴內部的現象，發現特殊的軸向層狀現象，然而該現象 是否會影響溶液的噴出而呈現波狀的流量。圖 6-31 為不同推板速度質量通 量，由圖中可知並不會有波狀的溶液量噴出。根據該結果、圖 6-20 的二維 密度分佈圖及圖 6-25 的密度關係圖，顯然層狀的現象僅會出現在距離噴嘴 出口較遠的噴嘴內部，主要發生在推擠區及收縮區中。此外當推擠速度愈 快，推出溶液的體積最大，根據圖 6-23 的密度圖中可知推擠速度不同噴嘴 內溶液的密度數值相近，所以質量通量最大。

0 50 100 150 200

0 5000 10000 15000 20000

mass (g / NA/nm2 )

time (ps)

40 m/s 80 m/s 120 m/s 160 m/s 200 m/s

圖 6-31 不同推擠速度之質量通量與時間關係圖

在瞬時圖中 (圖 6-14 至圖 6-18) 及二維密度分佈圖中 (圖 6-20)，顯 然當推擠速度提升後噴出之溶液的揮發愈趨劇烈。圖 6-33 為不同推板位置 與噴嘴內部的溫度曲線圖，整體趨勢與壓力十分相似；隨著推擠整體溫度 持續上升，推擠區造成推板處有較高的溫度，而推擠至溶液收縮區溫度也