不同類型錐形雙螺桿擠出機熔體輸送段的模擬分析

邊靖

（北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100029）

不同類型錐形雙螺桿擠出機熔體輸送段的模擬分析

邊靖

（北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100029）

利用計算流體力學(xué)軟件PolyFlow軟件模擬分析了三種類型的錐形雙螺桿擠出機的流場特性，通過對速度場、壓力場和剪切應(yīng)力場等擠出過程中的重要場量的后處理，分析了三種類型的錐形雙螺桿擠出機的擠出性能。

PolyFlow；錐形雙螺桿擠出機；數(shù)值模擬；分析

螺桿擠出機是聚合物加工工業(yè)中一種非常重要的設(shè)備，雙螺桿擠出機在螺桿擠出機中占有很高的地位。但由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，很難得到其加工過程中數(shù)學(xué)模型的解析解，長期以來人們對其流道流場的研究都是采用實驗的方法，設(shè)計也主要靠經(jīng)驗。隨著近代計算機軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，各種專業(yè)的軟件都被開發(fā)出來，給廣大科技工作者深入研究其加工過程提供了重要的支撐。目前，對雙螺桿擠出機的模擬研究主要集中在熔體輸送段，因為該段可以用流體力學(xué)的知識集成現(xiàn)代的軟件技術(shù)而得到可靠的結(jié)論。目前用得最廣的計算流體力學(xué)軟件有ANSYS［1～5］和PolyFlow［4～8］等，因為聚合物一般都屬于非牛頓流體，其本構(gòu)方程比較特殊，模擬計算難度比較大，而PolyFlow軟件便為解決這一難題而開發(fā)設(shè)計，在聚合物加工設(shè)備的研究和設(shè)計中應(yīng)用廣泛，國內(nèi)外的報道很多。但之前的很多研究都是關(guān)于嚙合同向雙螺桿擠出機熔體輸送段元件及性能的，關(guān)于異向的比較少，而關(guān)于錐形雙螺桿擠出機的研究相對平雙而言更少。作為聚氯乙烯PVC產(chǎn)品生產(chǎn)的重要設(shè)備，對其流場進行理論研究以指導(dǎo)實踐設(shè)計顯然非常必要，本文對不同類型的錐形雙螺桿擠出機的流道進行了靜態(tài)模擬，分析了不同類型的錐形雙螺桿擠出機擠出性能。

1　數(shù)學(xué)物理模型和計算方法

鑒于熔體輸送段的實際狀況和聚合物的特性及錐形雙螺桿擠出機擠出過程中計量段的具體情況，為簡化流場，特作如下假設(shè)：①流體為黏性不可壓縮的流體；②流場為穩(wěn)定、等溫流場；③層流流動；④慣性力、重力等體積力忽略不計；⑤熔體在流道中全充滿；⑥熔體對流道壁面無滑移。

基于上述條件假設(shè)，根據(jù)流體力學(xué)的知識，其加工時的控制方程為［9］：

式（1）～（3）中：

p——壓力，Pa；

τ——應(yīng)力張量，

u——為速度向量，單位為m.s-1，

I——為單位張量，單位為Pa，

η——和γ見下面公式（3）的介紹。

錐形雙螺桿擠出機的主要用途是加工硬質(zhì)聚氯乙烯RPVC，其本構(gòu)方程采用Cross模型［2］，參數(shù)文獻中亦有介紹：

式中：

η——表觀黏度，單位為Pa.s；

η0——零剪切黏度，其大小為4.7×105Pa.s，

λ——松弛時間，其值為0.26 s；

γ——剪切速率，單位為s-1，其計算公式如下：

本文模擬分析了普通型（D：d=2），和兩種雙錐型錐形雙螺桿擠出機（D：d＞2）的流場特性，這三種錐形雙螺桿擠出機的尺寸如表1所示。

表1　螺桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文在模擬過程中均采用給定出入口壓力的邊界條件，詳情如表2所示。

表2　流場邊界條件

圖1所示為SZ55-110型錐形雙螺桿擠出機流道的幾何模型圖，建模使用SolidWorks軟件，其他兩種與此相似，這里不再重復(fù)表示。

圖1　SZ55-110流道幾何模型

為了保證計算精度三種類型的錐形雙螺桿擠出機組成的流道網(wǎng)格個數(shù)分別為SZ55-110為1 436 765個，SZ55-120為1 437 069個，SZ50-110為1 432 356個。

2　結(jié)果后處理及討論

在如表2所給的邊界條件下，使用PolyFlow軟件，數(shù)值計算上述三種類型的錐雙流道的三維等溫流場，通過對模擬結(jié)果的后處理，分析其擠出性能。

圖2　流道軸向截面平均壓力變化曲線圖

對壓力場進行處理得到沿擠出方向各截面壓力的變化曲線，如圖1所示，坐標(biāo)原點位于流道的入口端面所在平面上，圖中左螺桿的中心位置。由圖可知：出口壓力小于最大壓力，這是由于受邊界效應(yīng)的影響，顯然不符合擠出生產(chǎn)中的真實情況。拋開邊界效應(yīng)的影響，可以看到各流道截面平均壓力沿擠出方向不斷升高，SZ50-110與SZ55-120的截面壓力曲線接近重合，SZ50-110的沿程壓力略大于SZ55-110。因此上，與SZ55-110相比、SZ50-110與SZ55-120具有更強的建壓能力，即雙錐型螺桿與普通螺桿相比，建壓能力更強，這有利于提高擠出制品的產(chǎn)量。兩種雙錐型螺桿中SZ50-110壓力更大。

圖3　流道軸向截面平均速度曲線

圖3為沿擠出方向流道截面的平均速度變化曲線圖。由圖可知與普通型螺桿SZ55-110相比，雙錐型螺桿SZ55-120 和SZ50-110的沿程速度變化比較小，因此上更有利于擠出制品質(zhì)量的穩(wěn)定性，SZ55-110 和SZ55-120平均速度比較接近，都較SZ50-110的要大，因此SZ50-110更有利于制品的穩(wěn)定性。

圖4　各流道的平均剪切應(yīng)力變化曲線

圖4所示為沿擠出方向流道截面的平均剪切應(yīng)力的變化曲線圖?？梢院苤卑椎目闯觯?SZ55-110及SZ55-120兩者的值差距不大，SZ50-110較小。為了比較SZ55-110及SZ55-120兩者的之間的平均剪切應(yīng)力值，對流道做進一步分析，得到沿程100個平面上的平均剪切應(yīng)力的加權(quán)平均剪切應(yīng)力值，如圖4所示，為各流道的加權(quán)平均剪切應(yīng)力的柱狀圖，可以很直白的看出： SZ55-110＞SZ55-120＞SZ50-110。由此可知，雙錐型螺桿與普通螺桿相比，剪切更小，這對于剪敏性的物料RPVC的加工來說，更加有利。

3　結(jié)束語

使用PolyFlow軟件對一種普通錐形雙螺桿擠出機和兩種雙錐型錐形雙螺桿擠出機的流道進行了數(shù)值模擬，得到并分析了沿擠出方向各流道的壓力、速度和剪切應(yīng)力的分布曲線以及加權(quán)平均剪切應(yīng)力，結(jié)果表明：

與普通型錐形雙螺桿擠出機相比，雙錐型錐形雙螺桿擠出機的建壓能力更強。在同樣的機頭壓力條件下，而且剪切應(yīng)力更小，對于剪切敏感的PVC物料來說，SZ50-110型雙錐型錐形雙螺桿擠出機較SZ55-120型雙錐型錐形雙螺桿擠出機各項性能指標(biāo)更優(yōu)。

圖5　各流道的加權(quán)平均剪切應(yīng)力圖

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（R-03）

Simulation analysis of melt conveying sections of different conical twin screw extruders

Simulation analysis of melt conveying sections of different conical twin screw extruders

Bian Jing
（Beijing University of Chemical Technology， Beijing 100029， China）

Using computational fluid dynamics software PolyFlow， the flow field characteristics of three types of conical twin screw extruder are analyzed in this paper. Through the analysis of the important f eld of the velocity f eld， pressure f eld and shear stress f eld， the extrusion performance of three types of conical twin screw extruder is analyzed in this paper.

PolyFlow； conical twin screw extruder； numerical simulation； analysis

TQ320.663

1009-797X（2016）14-0026-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.14.007

邊靖（1989-），男，現(xiàn)就讀于北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院。

2016-05-11