摘要：雙螺桿擠出機機筒內部的流體流動區(qū)域截面是隨時間變化的復雜三連通區(qū)域，采取共形映射方法將這樣的三連通區(qū)域映射成不隨時間變化的圓界區(qū)域，進一步將流動區(qū)域變成一個不隨時間變化的柱形區(qū)域，可大幅簡化雙螺桿擠出機流體流動問題的計算。選擇以外邊界為圓周、內邊界為隨時間旋轉的兩個橢圓周的平面區(qū)域上的熱傳導問題為研究對象，用本文方法進行計算并比較了精確解和數(shù)值解，計算結果表明兩解的絕對誤差較小。本文方法可用于雙螺桿擠出機流體流動問題的計算，并簡化了計算過程。
引言
雙螺桿擠出機輸送效率高而且穩(wěn)定，對于物料的處理更均勻，是塑料等高聚物生產的重要設備，因此雙螺桿擠出機內部聚合物流體的流動性態(tài)和數(shù)值模擬是一個熱門的研究課題。
雙螺桿擠出機內部的流體流動滿足的數(shù)學模型是三維的非牛頓流體動力學方程組，區(qū)域復雜且隨時間變化，因此是求解難點，通常直接采用有限元［1－3］等方法或將數(shù)學模型降維的方法來進行流體流動的數(shù)值求解，但缺點是難以精確有效。在此流體區(qū)域上求解雙螺桿擠出機擠出問題的另一個重要途徑是先將求解區(qū)域規(guī)則化，并在這個規(guī)則區(qū)域上進行流體計算。通常來說雙螺桿擠出機流體流動區(qū)域的截面是一個三連通區(qū)域，有3個邊界：外邊界是一個類似于8字形的外邊界，2個內邊界是兩根螺桿的截面邊界。因此用合適的區(qū)域變換方法將螺槽區(qū)域變成規(guī)則化的區(qū)域，將大大簡化對雙螺桿擠出機流體的計算。
將一個截面在一個轉動周期中不同時刻的區(qū)域形狀經過規(guī)則化變換變?yōu)橄嗤膱A界區(qū)域，再將雙螺桿擠出機流體流動區(qū)域的截面轉化成圓界區(qū)域后，求解區(qū)域非但不受時間影響，還變成了規(guī)則的、截面為三連通圓界（形狀）區(qū)域的柱體，從而克服了求解雙螺桿擠出機流體流動問題的主要困難。文獻［4－6］研究了用區(qū)域變換方法求解單螺桿擠出機的流體流動問題，但其采用的方法只適用于雙連通區(qū)域同心的情況，因此需要尋找更合適的共形映射方法來解決三連通區(qū)域的變換問題。
多連通區(qū)域的共形映射的計算方法有多種［7－9］，通常是將區(qū)域映射到圓縫［7－8］。本文采用文獻［9］的方法將三連通區(qū)域映射到圓界區(qū)域，同時對其算法的約束條件進行修改，以保證同一桿長位置不同轉角的截面均映射到同樣的圓界區(qū)域，并更正了其中共軛調和函數(shù)求解方程式的錯誤。為了驗證共形映射算法的可行性，本文以內部邊界曲線是兩個橢圓的雙螺桿擠出機流體流動區(qū)域為例求解該時變區(qū)域上的熱傳導方程的定解，并將數(shù)值解與精確解進行比較。計算結果表明，兩解的絕對誤差較小，可以用于求解雙螺桿擠出機內部流體流動問題。
1共形映射的計算
1.1 共形映射方法的理論公式
本文使用并改進文獻［9］的方法。首先考慮一個多邊相連的有界平面區(qū)域Ωa，其邊界分量是光滑的曲線。Ωa共形等價于圓界區(qū)域Ωc。設f：Ωa→Ωc為共形映射，同時令函數(shù)u=ln|f'（z）|，則u是Ωa上的調和函數(shù)，并且滿足邊界條件（1）
式中，n是邊界分量，rv是對應的圓界邊界Ωc的半徑，s是弧長參數(shù)，X（s）是Ωa的曲率，其值取決于s位于哪個邊界上。
在區(qū)域邊界有尖角的情況下，將區(qū)域記為Ωp。式（1）中X（s）在每個尖角的值是δ函數(shù)的倍數(shù)，即X（s）=βδ（s），其中β是尖角的補角。所以共形映射f（z）可以近似表示為
f（z）=f1（（z－z0）α）
式中z0是尖角點的坐標，f1是一個單值解析函數(shù)，α=π/（π－β）。因此可以得到
ln|f'（z）|=（α－1）ln|z－z0|+w
式（2）中w為調和函數(shù)的光滑部分。式（2）表明調和函數(shù)u在尖角部分有對數(shù)奇點，如果減去u中所有奇異部分，剩余部分即為在邊界上光滑的調和函數(shù)。利用公式（3）可以得到與尖角部分有相同奇點的單值函數(shù)
式（3）中，z*是Ωp區(qū)域外部線段z0z*上除z0外的一點，從調和函數(shù)u中去除所有奇點{zi}后得到一個剩余的函數(shù)w即為Ωp上的調和函數(shù)，并且w在邊界上光滑，從而得到式（4）
u = g（ z） + w
式（4）中
且w滿足邊界條件
求解如式（5）的泛函φ（w）的最小值可以得到調和函數(shù)w。
式中，Cv表示Ωa的內部邊界，且
得到調和函數(shù)w后，求解Cauchy-Ｒiemann方程
，即可得到w的共軛調和函數(shù)wc。
注意到G（z）是解析函數(shù)，則ln|G（z）|是從式（4）u中減去的奇異部分之和，因此f'（z）=exp（w+iwc）G（z）是解析函數(shù)，通過對f'（z）積分可以得到共形映射f（z）。
為了使調和函數(shù)w唯一，需要在外邊界上選取兩個點pi（i=1，2（3）），從而得到限制條件式（7）
式（7）中ai為2個固定正數(shù)，令其滿足a1+a2=2π，則式（7）可使映射f唯一，同時不影響目標網格的形狀，更重要的是可以使內部邊界的形狀和大小變得相同。
1.2數(shù)值求解
通過有限元方法對公式（5）進行離散來尋找函數(shù)φ（w）的最小值。在Ωa區(qū)域打上網格點進行三角劃分，并在每個尖角點部分進行加細處理。分別用V、E、F來表示節(jié)點、邊和三角形的集合，并將未知函數(shù)w離散化為τ上的分段線性函數(shù)。
首先，將式（5）中的第一項離散為
式中H表示三角網格的個數(shù)。將w的離散值排成列向量w'，有
式中we是邊界向量，wi是內部向量。所以式（8）等式右邊可以寫成矩陣表達式
，其中系數(shù)矩陣A為對稱矩陣，可寫成
式中Aee、Aii分別對應we和wi，Aei對應交叉部分。
其次，將式（5）中的第二項離散為
式中e為三角網格的邊。式（9）中g，X（s）可以分別離散為
式（10）中，@S（e）表示在S（e）點的值。值得注意的是，
帶有方向性，因此式（9）可以寫成向量表達形式:λTwe，其中λ為系數(shù)向量。最后，將式（5）中第三項離散為
式（11）中
式（12）中
式（13）中，l（e1）、l（e2）分別表示p點兩端的邊界邊的長度。
限制條件式（7）可以離散為如下形式
式中C'i是外邊界pi與pi+1之間的節(jié)點集合，且p3=p1。
綜合公式（8）～（10）的離散過程，可得式（5）的離散形式
固定we，則當wi=－Aii-1Aiewe時，φ（w'）有最小值。因此式（15）的最小值問題等價于式（16）取最小值
式中A'=Aee－AieTAii-1Aie。
求得式（16）在約束條件式（14）下的最小值we，進而可得到式（15）的最小值w'。
通過求解公式（17）的最小值可以得到w的共軛調和函數(shù)
因為f'（z）=exp（w+iwc）G（z）已知，所以通過求解式（18）可以得到
式（18）的離散過程如下。
首先，對于三角網格中頂點坐標為z1，z2，z3的三角形，令f'=（f'（z1）+f'（z2）+f'（z3））/3，從而得到期望三角形的3個頂點的坐標
將坐標分為實部和虛部（xei，yei）（i=1，2（3））。
其次，該期望三角形對于式（18）離散后的實部和虛部的影響分別為
最后，采用最小二乘法對式（20）、（21）分別求最小值，得到最小值點{xi}、{yi}，即得f（zk）=xk+iyk。
因為在式（17）的計算中，wc的值相差一個實常數(shù)，所以f（z）的值可以相差一個復常數(shù)。這說明求出映射后還可以作平移和旋轉變換來保持共形性質。圖1即為數(shù)值計算結果的圖示，可看出對不同的轉角，映射后的圓界區(qū)域有較高的重合度。
圖1流動截面區(qū)域到圓界區(qū)域的共形映射
2實例驗證
2.1熱傳導方程的變換
選擇一個熱傳導方程來驗證共形映射算法的可行性。設熱傳導方程的求解區(qū)域是類似于圖1中的雙螺桿擠出機截面的三連通區(qū)域，其中外邊界不隨時間變化，兩個內邊界繞各自中心旋轉。熱傳導方程如下
利用共形映射將求解區(qū)域Dt變?yōu)閳A界區(qū)域，將自變量（x，y）變?yōu)椋?xi;，η），即得
假設此變換將Dt變?yōu)椴浑S時間變化的區(qū)域Ω，
邊界L0、L1（t）、L2（t）分別變?yōu)?/span>
式（24）中，螺桿轉角θ＞0，（ξ，η）∈Ω。式（24）可以通過有限元方法計算求解，共形映射和其逆映射的值以及相關導數(shù)值可以通過插值和變換之間的導數(shù)關系給出。
2.2數(shù)值計算結果
選取Dt的外邊界為圓心在原點、半徑等于r的圓周，其內邊界L1（t）、L2（t）分別是橢圓，橢圓方程為
取r=2，a=0.6，b=0.8，c=0.8，ω=1，則定解問題式（22）變?yōu)?/span>
式（25）中，螺桿轉動時間t＞0，（x，y）∈Dt。
給定精確解u=e－2tsin xcos y+x2。取邊界上初始網格長度0.08且均勻分布的三角網格，區(qū)域上約有1700個網格點，在此網格上計算共形映射。數(shù)值解的求解過程為:首先對t從0～π/2進行離散，再對每個離散的t計算共形映射，然后利用對稱性拓展得到π/2～π對應的離散t的共形映射，最后進行周期延拓，就可以得到所需的共形映射。將時間步長取為π/40，然后在映射網格上用有限元法求解式（25），得到t=2π時的數(shù)值解與精確解的絕對誤差如圖2所示。
圖2t=2π時數(shù)值解與精確解的絕對誤差
通過比較數(shù)值解和精確解可知，其絕對誤差在0.01范圍內，表明本文算法是可行的。
3 結論
（1）用共形映射將雙螺桿擠出機流體流動區(qū)域的截面變?yōu)閳A界區(qū)域，可使求解區(qū)域不受轉動的影響，將雙螺桿擠出機流體流動區(qū)域進一步變換成截面為圓界區(qū)域的柱體區(qū)域，可以為雙螺桿擠出機這種復雜流體運動的求解提供一種精確高效的方法。
（2）利用本文方法對求解區(qū)域類似于雙螺桿擠出機截面的三連通區(qū)域的熱傳導問題進行數(shù)值實驗，得到的數(shù)值解與精確解誤差較小，從而證明了本文方法的可行性和有效性。
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