雙基發射藥螺桿擠壓成型過程的模擬分析

楊建興 丁治豪，2

（1.西安近代化學研究所；2.西北大學化工學院）

多年來推進劑的雙基球形藥制備多采用內溶法成球工藝［1～3］，該工藝是將硝化纖維素或吸收藥、水、乙酸乙酯加入球釜內，通過攪拌漿葉的強力攪拌，物料被溶解成具有一定黏度的高分子溶液，隨之被攪拌粉碎成細小的液滴，液滴與水不相溶，在表面張力的作用下，形成球形，再通過升溫，使乙酸乙酯汽化脫溶，液滴脫溶變硬形成球形藥粒［2～4］。但是通過攪拌使高分子溶液在不相溶的水中形成球粒的過程存在球粒粒度分布不均、耗時較長等問題，成品質量不易控制且成型效率較低。

文獻［5，6］在球形藥制備工藝中嘗試將雙基吸收藥與乙酸乙酯混合塑化后采用水下切割的方式造粒，再通過旋流修圓，最后進入脫溶釜內完成乙酸乙酯的汽化脫溶。 在上述工藝優化過程中，塑化后的雙基吸收藥與乙酸乙酯混合物通過螺桿推動由模孔擠出后進入切粒水箱切割造粒，螺桿擠出裝置對假塑性混合物料的擠壓效應決定了球形藥的粒度均一性。

筆者采用CFD仿真技術模擬了物料在擠出裝置中的流動過程，獲取了不同時刻物料在裝置中的速度場與壓力場分布，以此分析螺桿旋轉過程中對物料的擠壓效應和擠壓孔處的出料效果。

1 數值模型

1.1 幾何模型及網格劃分

螺桿擠出裝置結構如圖1所示， 螺桿段長度為320 mm，螺紋螺距為26 mm，螺桿段上套筒內徑為20 mm，出藥模具安裝于螺桿段出口處，模具的擠壓孔孔徑為1.25 mm，兩環分布共60個。 由于幾何結構較為復雜， 采用四面體+邊界層網格劃分，網格總數為410萬，螺桿段設為動區域，其他部分設為靜區域（圖2）。

圖1 螺桿擠出裝置幾何模型

圖2 螺桿擠壓裝置不同部位網格劃分

1.2 發射藥物性參數

物料混合物由SC-11發射藥與乙酸乙酯經塑化后形成（配比為1:0.9），密度為1 600 kg/m3，采用Thermo HAAKE MARS 60旋轉流變儀測量其流變性能，25 ℃下發射藥剪切應力與剪切速率的關系曲線如圖3所示， 觀察可知其符合假塑性流體的流動規律。

圖3 發射藥剪切應力與剪切速率的關系曲線

采用Ostwald-de Wale冪律方程對圖中SC-11發射藥剪切應力與剪切速率的關系曲線進行擬合，得出物料表觀黏度與剪切速率的變化方程：

式中 ηa——表觀黏度，Pa·s；

γa——剪切速率，s-1。

其中，曲線擬合度R2=0.9998。

1.3 數學模型

物料混合物為非牛頓流體，遵循質量、動量、能量守恒［7］，守恒方程如下：

式中 Cp——定壓比熱容，kJ/（kg·K）；

k——材料導熱系數，W/（m·K）；

u——流體速度，m/s；

?——哈密頓算子；

ρ——流體密度，kg/m3；

σ——表面應力，Pa；

τ——偏應力張量，Pa。

模擬中根據物料特性和螺桿擠出時的工藝條件，假設如下：物料物性不隨溫度變化，無化學反應，為不可壓縮層流；壁面無滑移條件；不計重力和慣性力作用。

1.4 邊界條件及求解方法

流場動區域內螺桿轉速為20 r/min， 邊界條件設為質量入口、壓力出口條件，物料入口質量流量為10 kg/h，出口壓強為大氣壓。 求解方程采用有限容積法， 壓力-速度的耦合求解采用SIMPLE算法，對流項離散采用二階迎風差分。 考慮到物料黏度會隨剪切速率發生變化，為了觀測瞬態擠出效應，模擬中首先采用MRF（多重參考系法）計算到收斂（收斂準則為RMS，收斂殘差定為10-3）， 隨后采用滑移網格模型進行瞬態模擬，時間步長設為10-3s，每個時間步迭代20次，收斂殘差同樣為10-3。

2 結果及分析

圖4為螺桿擠壓裝置內物料的時均速度場分布，由圖可知，當物料進入料斗后即開始旋流，直到進入擴張錐內流動方向變為軸向（z軸方向），在擠壓孔出口處基本是垂直于出口平面流出的（圖5）。 由擠壓孔出口速度分布云圖（圖6）可以看到，每個擠壓孔出料速度基本一致，可以推知設計的出藥模具（出口擠壓孔孔徑為1.25 mm、兩環分布共60個）結構合理，符合生產預期。

圖4 螺桿擠壓裝置內部速度場

圖5 擠壓孔出口速度分布云圖

圖6 擠壓孔出口速度分布云圖

圖7為物料在螺桿擠壓裝置內的壓強場分布結果。 物料進入料斗后在慣性作用下克服黏性力而螺旋下滑，壓強逐步降低。 當物料進入螺桿推進部分后，在螺桿的推動下向擠壓孔出口方向移動的過程中逐步升壓， 在前端第1～2個螺距之間壓強達到最大值（圖8），隨即加速減壓進入擴張錐，由出藥模具的擠壓孔擠出。 在料斗后方螺桿根部區域形成了負壓區（圖9），部分物料由料斗被吸入該區域，沿螺旋導葉反向運動到螺桿根部再折向移動。 在負壓區物料有較大的反向速度（圖10）和逆向流量，對螺桿的功耗和振動都會有一定影響，可以通過調整料斗位置和料斗內螺旋導板的旋向加以改善。

圖7 螺桿擠壓裝置內的壓強場分布

圖8 螺桿擠壓裝置內的最大壓力位置

圖9 螺桿擠壓裝置內的負壓區

圖10 中心截面上軸向（z方向）速度分布云圖

圖11為螺桿旋轉一周，每旋轉60°時裝置內中心截面上物料的瞬時速度場分布云圖。 圖12、13為相應的壓強場云圖和擠壓孔出口的速度分布云圖。 由圖12、13可以看出，相比時均值，盡管擠壓孔出口的出藥速度與螺桿段定性相似，但在具體數值上還是會有一定的變化，特別是在旋轉一圈的結束和開始的階段，裝置內速度會有較大的變化，這應該與螺桿的循環回轉有關。 擠壓孔出口處速度分布雖然會有一定的變化，但仍保持均勻分布，且變化量很小，因此出口流量基本不變，與時均值相比偏差在10-5以上（表1），該結果說明出口質量流量基本不隨時間發生變化，進而說明該裝置可以保證物料連續、穩定地擠出。

表1 螺桿旋轉一周出口質量流量變化

圖11 不同瞬時裝置內中心截面上的速度分布云圖（螺桿旋轉1圈）

圖12 不同瞬時裝置內中心截面上的壓強場云圖（螺桿旋轉1圈）

圖13 不同瞬時擠壓孔出口速度分布云圖（螺桿旋轉1圈）

圖14顯示了裝置內部螺桿表面的受力情況，由圖14a可以看出，螺桿表面壓強變化較為一致，沿螺桿端部方向壓強逐漸增大，料斗后側處于負壓區；由圖14b可以看出，切應力分布較為復雜，軸段部分與導葉部分差異較大，受力主要在軸端部分。 對比圖14a、b可以看出，螺桿表面靜壓強值域范圍遠大于切應力，最大值相差2個數量級。 結合圖8、9可知，螺桿旋轉過程中受力不均勻， 可能會導致軸段和導葉發生變形及振動的情況。

圖14 螺桿表面受力情況

3 結束語

應用FLUENT模擬計算了雙基發射藥螺桿擠壓成型過程，模擬結果顯示設計工況下采用文中設計的螺桿結構可以保證雙基發射藥穩定地擠壓成型，成型截面較為規則，不會影響后續的切粒工藝。 運行中螺桿根部存在負壓區，部分發射藥物料被吸入該區域， 逆向流動再折向返流，對螺桿的功耗和振動都會有一定影響，可以通過調整料斗位置和料斗內螺旋導板的旋向加以改善。螺桿表面受力以壓力為主，靜壓強的最大值比表面切應力大了2個數量級。