開(kāi)槽三頭嚙合塊雙螺桿擠出機(jī)數(shù)值模擬

■徐文海 陳安柱 蘇宏林

（鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇鹽城224043）

嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)是最常用的聚合物混合設(shè)備之一。其優(yōu)異的混合性能及靈活易用的特點(diǎn)使之被廣泛應(yīng)用[1]。除此之外，嚙合雙螺桿擁有的自潔特點(diǎn)避免了物料在流道中的殘留，也避免了物料發(fā)生降解。現(xiàn)如今組合螺桿的剪切混合元件被廣泛應(yīng)用，其中最常使用的就是捏合塊剪切元件。為使設(shè)計(jì)和優(yōu)化捏合塊元件獲得一些參考依據(jù)，對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析是必要的[2-6]。

開(kāi)槽型螺桿已經(jīng)被許多學(xué)者研究分析，其相對(duì)于普通螺桿對(duì)物料有更好的混合分散性及停留時(shí)間分布，然而對(duì)于開(kāi)槽型捏合塊的研究則相對(duì)較少[7-9]。捏合塊處于螺桿擠壓的混合部分，其對(duì)物料有著較強(qiáng)的剪切能力，但由于缺少類(lèi)似螺桿的螺槽故導(dǎo)致對(duì)物料的混合以及停留分布不太理想。本文在常規(guī)三頭捏合塊的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，在螺棱處增加溝槽。為了進(jìn)一步了解此種元件，本文利用ANSYS-CFX流體計(jì)算軟件對(duì)開(kāi)槽三頭捏合塊流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并與常規(guī)三頭捏合塊流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 理論模型

1.1 有限元模型

在比較研究開(kāi)槽三頭捏合塊于常規(guī)三頭捏合塊混合性能時(shí)，本文分別建立了相同參數(shù)的流道力學(xué)模型，其三維實(shí)體模型由Inventor軟件構(gòu)建，后導(dǎo)入ANSYS前處理軟件。模擬的三頭捏合塊外圓直徑為22 mm，厚度均為6 mm且錯(cuò)列角均為30度。流道模型可由ANSYS-CFX軟件中模型處理包裹去除螺桿得到，再利用自適應(yīng)技術(shù)劃分高品質(zhì)六面體網(wǎng)格。兩種捏合塊及各自流道模型具體參數(shù)及流道見(jiàn)表1。

1.2 計(jì)算模型

流體在捏合塊流道內(nèi)的擠出運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，故本文為方便做流場(chǎng)的模擬，依據(jù)流體力學(xué)理論對(duì)環(huán)境進(jìn)行假設(shè)。假設(shè)內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型滿足以下條件:

①流體為冪律流體；

②流動(dòng)為層流運(yùn)動(dòng)；

表1 計(jì)算模型詳細(xì)特征

③流場(chǎng)為等溫流場(chǎng)且不隨時(shí)間變化；

④流體為不可壓縮流體；

⑤由于慣性力、重力等體積力遠(yuǎn)小于黏性力，忽略慣性力、重力等體積力；

⑥機(jī)筒內(nèi)壁和螺桿表面無(wú)滑移；

⑦物料完全充滿流道。

1.2.1 運(yùn)動(dòng)方程

通過(guò)牛頓第二定律推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)方程[11]：

再經(jīng)過(guò)假設(shè)條件簡(jiǎn)化得到表達(dá)式為：

1.2.2 本構(gòu)方程

式中：η——粘度；

k——稠度系數(shù)(Nsn/m2)；

n——流動(dòng)指數(shù)0.75。對(duì)于剪切稀化流體0＜n＜1；

1.2.3 邊界條件

本文對(duì)不同參數(shù)捏合塊螺桿流道設(shè)置相同的邊界條件，以進(jìn)口流量和出口壓力作為邊界條件，具體如表2所示。

表2 邊界條件

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 壓力場(chǎng)分析

2.1.1 軸向壓力場(chǎng)

常規(guī)三頭捏合塊流道軸向壓力分布與開(kāi)槽捏合塊流道軸向壓力分布如圖1所示，從中明顯發(fā)現(xiàn)壓力隨著捏合塊流道擠出方向而逐漸變大，從而表明捏合塊與螺紋元件螺桿一樣，具有一定的建壓能力。在相同的模擬環(huán)境下，兩種捏合塊的建壓能力從圖1中可以明顯發(fā)現(xiàn)區(qū)別，開(kāi)槽捏合塊螺桿相比于常規(guī)捏合塊具有更強(qiáng)的建壓能力，也就是說(shuō)對(duì)物料的擠出能力更加突出。

2.1.2 截面壓力場(chǎng)

圖2所示為兩流道截面壓力云圖，從圖中發(fā)現(xiàn)，兩流道截面壓力狀況相似，隨著順時(shí)針?lè)较驂毫χ饾u增加，在每個(gè)螺棱處到達(dá)最大，不斷循環(huán)。壓力的遞增方向與螺桿轉(zhuǎn)向相同，由此螺桿螺棱推動(dòng)物料在流道內(nèi)作螺旋運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)對(duì)兩種流道截面壓力進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，物料在兩流道截面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相似。

圖1 軸向壓力分布

圖2 截面壓力云圖

2.2 速度場(chǎng)分析

2.2.1 宏觀速度場(chǎng)分析

圖3是兩流道的宏觀速度矢量圖，圖中矢量箭頭顏色深淺代表速度大小，顏色越亮代表速度越大；矢量箭頭越密集，則說(shuō)明物料在流道中的流動(dòng)性越好。相比兩圖，從中發(fā)現(xiàn)開(kāi)槽捏合塊矢量圖箭頭密集，顏色也較常規(guī)捏合塊矢量箭頭鮮亮，也就表明物料在開(kāi)槽流道內(nèi)產(chǎn)生的速度較大，運(yùn)動(dòng)性及流動(dòng)性更好。從圖中也看出開(kāi)槽流道內(nèi)物料在螺棱處速度達(dá)到最大，整體看矢量箭頭也更錯(cuò)綜復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)也更復(fù)雜，物料交換性相對(duì)于常規(guī)捏合塊也更好。

圖3 宏觀速度矢量圖

2.2.2 軸向速度

在螺桿混合段物料的擠出速度及停留時(shí)間對(duì)擠出產(chǎn)品質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，在此階段從加工工藝要求角度來(lái)看，需要物料在此階段擠出速度稍慢，也就是延長(zhǎng)物料在混合段的停留時(shí)間，有利于充分混合分布，增加均勻度從而提高擠出產(chǎn)品質(zhì)量。圖4是兩種不同捏合塊結(jié)構(gòu)流道混合段物料的擠出速度，從圖中表明開(kāi)槽捏合塊螺桿流道軸向速度較低，物料在此階段停留時(shí)間延長(zhǎng)，更有利于物料的充分混合及均勻分布。

圖4 軸向速度分布

2.3 剪切速率場(chǎng)

下式為流道的加權(quán)平均剪切速率計(jì)算公式。

Ω——所計(jì)算的流道的域。

捏合塊屬于物料剪切元件，其對(duì)物料的剪切能力要比傳統(tǒng)螺紋元件要更好，圖5是常規(guī)捏合塊與開(kāi)槽捏合塊的隨軸向距離變化的加權(quán)平均剪切速率分布圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)三頭開(kāi)槽捏合塊相對(duì)于常規(guī)三頭捏合塊在擠出方向?qū)ξ锪嫌兄鼜?qiáng)的剪切速率。捏合塊的間隙中物料在高剪切力的作用下更加容易混合分散，使物料更加均勻，從而加工出的產(chǎn)品擁有更佳質(zhì)量，因而發(fā)現(xiàn)開(kāi)槽三頭捏合塊螺桿比常規(guī)三頭捏合塊螺桿有明顯優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

本文對(duì)兩種捏合塊螺桿流道進(jìn)行模擬分析，在邊界條件相同的情況下，從速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、加權(quán)平均剪切速率等方面進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)開(kāi)槽螺桿更有優(yōu)勢(shì)。

圖5 剪切速率分布

①開(kāi)槽捏合塊螺桿增加物料流動(dòng)能力，整體混合更加均勻，剪切能力更加優(yōu)良，有利于物料在混合階段的充分混合分布。

②開(kāi)槽捏合塊螺桿增加了物料在混合階段的軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，降低了擠出速度，延長(zhǎng)物料在流道內(nèi)的停留時(shí)間，增加混合分布時(shí)間。