二階雙螺桿擠出機流場分析

摘 要：在階梯狀雙螺桿擠出機參數一定情況下，利用三維軟件建立實體模型，在ANSYS Workbench有限元軟件Fluent模塊中，分析階梯狀雙螺桿擠出機中熔融段速度分布、壓力分布、流體跡線分布的情況。

關鍵詞：雙螺桿擠出機；Fluent；熔融段；流場分析

引言

階梯狀雙螺桿擠出機設計是在同向平行雙螺桿擠出機的基礎提出的，對于二階雙螺桿擠出機，通過兩段根徑不同的螺桿和外徑不同的壁筒，兩擠出熔融段流場體積的減小，對物料起到了壓縮作用，能夠滿足對于物料壓縮的一定要求。

1 模型建立

二階雙螺桿擠出機模型：

文中分析的雙螺桿擠出部分中心距為150mm。兩段均采用矩形螺紋，螺桿長均800mm，壁筒長均800mm，螺棱寬20mm，螺棱高第一段46mm，第二段39mm，螺紋間距200mm，中間連接件圓臺高30mm，實際生產中，考慮到物料的流動及加工裝配，螺紋與螺桿以及螺棱與壁筒間均有一定的間隙。

利用creo建立實體模型，圖1為雙螺桿結構圖，圖2為雙螺桿擠出機裝配模型圖

2 網格劃分

2.1 流場的建立

流場的建立時，考慮的是物料完全充滿流場的情況，即壁筒與螺桿之間的間隙為整個流場，因此，可以認為整個流場是三維實體模型，在三維軟件中做相減，得到流場模型，圖3為流場模型圖。

2.2 劃分網格

網格劃分對于流場分析是至關重要的，網格質量的好壞直接影響到最后結果能否收斂，是否精確，考慮到流場復雜性以及邊界網格質量，采用ICEM劃分網格，以下為網格劃分模型。

圖4為三維模型導入ICEM后網格的劃分，圖5中可以看到邊界處有較好的邊界層。圖4中設置時，視圖左側直徑較大面設為流場進口面“in”，右側直徑較小面設為流場出口面“out”，把外部整個壁筒部分設為“wall1”，流場與兩根螺桿接觸的部分可以分為三部分，一是螺桿表面與流場的接觸部分，二是流場與螺棱的接觸部分，三是流場與螺棱側面的接觸部分，因三部分是連續的面，故把每根螺桿與三部分接觸的部分設為一個面，圖4中視圖內側的內壁面設為“wall2”，外側的內壁面設為“wall3”。

3 前處理設置

3.1 模型以及材料設置

流場為繞軸旋轉，選擇湍流模型。

階梯狀雙螺桿擠出機實際生產中，多用于塑料、食品加工等，這里采用聚丙烯材料，物料密度720kg/m3，比熱容1.9J/g·k，導熱率0.16w/m·k，粘度1070pa·s。

3.2 邊界條件的設置

實際生產中，外筒壁靜止，即貼近筒壁面的“wall1”速度為0。兩根螺桿繞軸旋轉，轉速和方向均相同，進口面視圖為逆時針旋轉，采用速度差模型，進口面“in”速度設為10m/s，出口面“out”速度設為0。導入fluent里后模型的軸向與Y軸一致，故可以設置兩根螺桿繞Y軸旋轉，轉速為150r/min，轉換成弧度為7.85rad/s，在x方向和z方向上速度均為0。

4 結果計算及分析

4.1 速度分布

對于速度矢量圖，顏色由藍色漸變為紅色，表示速度矢量逐漸增大，由數學分析知，角速度相同時，半徑越大，線速度越大，從圖中可以看到沿著螺棱方向，速度矢量越來越大，圖7中顯示與實際情況相符。對于中間擠出段，兩螺桿均為逆時針旋轉，左螺桿右壁面的速度向上，右螺桿左壁面的速度向下，兩者速度方向相反，因此嚙合段物料速度矢量較小，這與實際情況相符合。且左螺桿的左上方和右螺桿的右下方部分，速度矢量分別達到最大。

4.2 壓力分布比較

圖8和圖9均為中心距150mm的壓力圖像，圖9是圖8在垂直視圖平面內旋轉180度，視圖方向可以看到上側的螺桿和下側的有相似之處，圖8中上側的螺桿壓力比下側的大，圖9中上側的螺桿比下側的小，分析可以得出沿擠出方向，壓力是逐漸增大的，沿螺棱方向，壓力同樣逐漸增大，二階段的壓力比一階段的壓力大，上側的螺桿和下側的螺桿分別在左上方和右下方壓力達到最大。

4.3 流體跡線分布

CFD-post后處理中，streamline能很好地反應流場中流體跡線，進而反應出流體的混合效果。

圖10和圖11均為流體跡線圖像，圖中可以看出在流體跡線進出口和中間階梯部分比較明顯，圖11說明尤其是中間階梯部分，跡線混亂度較高，說明流體流向越無規律，反應到實際生產中說明對物料的混合作用越好。且二階段比一階段混合效果好。

5 結束語

（1）階梯狀雙螺桿擠出機對物料有較好的壓縮作用，且有很好地混合作用。

（2）二階段比一階段對螺桿和螺紋的強度要求高。

參考文獻

[1]張澎湃.嚙合同向雙螺桿擠出機螺紋元件流場分析[D].燕山大學，2004.

[2]梁振剛.階梯狀雙螺桿擠出機基礎機構研究[D].河北工程大學，2015.

[3]楊凱.同向雙螺桿擠壓膨化機擠壓機理及性能分析[D].南京理工大學，2013.