■徐文海 陳安柱 蘇宏林

（鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，江蘇鹽城224043）

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

開槽型螺桿已經(jīng)被許多學者研究分析，其相對于普通螺桿對物料有更好的混合分散性及停留時間分布，然而對于開槽型捏合塊的研究則相對較少[7-9]。捏合塊處于螺桿擠壓的混合部分，其對物料有著較強的剪切能力，但由于缺少類似螺桿的螺槽故導致對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，在螺棱處增加溝槽。為了進一步了解此種元件，本文利用ANSYS-CFX流體計算軟件對開槽三頭捏合塊流場進行數(shù)值模擬分析，并與常規(guī)三頭捏合塊流場進行對比分析。

1 理論模型

1.1 有限元模型

在比較研究開槽三頭捏合塊于常規(guī)三頭捏合塊混合性能時，本文分別建立了相同參數(shù)的流道力學模型，其三維實體模型由Inventor軟件構(gòu)建，后導入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)及流道見表1。

1.2 計算模型

流體在捏合塊流道內(nèi)的擠出運動十分復雜，故本文為方便做流場的模擬，依據(jù)流體力學理論對環(huán)境進行假設。假設內(nèi)流場的數(shù)學模型滿足以下條件:

①流體為冪律流體；

②流動為層流運動；

表1 計算模型詳細特征

③流場為等溫流場且不隨時間變化；

④流體為不可壓縮流體；

⑤由于慣性力、重力等體積力遠小于黏性力，忽略慣性力、重力等體積力；

⑥機筒內(nèi)壁和螺桿表面無滑移；

⑦物料完全充滿流道。

1.2.1 運動方程

通過牛頓第二定律推導出運動方程[11]：

再經(jīng)過假設條件簡化得到表達式為：

1.2.2 本構(gòu)方程

式中：η——粘度；

k——稠度系數(shù)(Nsn/m2)；

n——流動指數(shù)0.75。對于剪切稀化流體0＜n＜1；

1.2.3 邊界條件

本文對不同參數(shù)捏合塊螺桿流道設置相同的邊界條件，以進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 計算結(jié)果與分析

2.1 壓力場分析

2.1.1 軸向壓力場

常規(guī)三頭捏合塊流道軸向壓力分布與開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，開槽捏合塊螺桿相比于常規(guī)捏合塊具有更強的建壓能力，也就是說對物料的擠出能力更加突出。

2.1.2 截面壓力場

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，隨著順時針方向壓力逐漸增加，在每個螺棱處到達最大，不斷循環(huán)。壓力的遞增方向與螺桿轉(zhuǎn)向相同，由此螺桿螺棱推動物料在流道內(nèi)作螺旋運動。經(jīng)過對兩種流道截面壓力進行比較發(fā)現(xiàn)，物料在兩流道截面內(nèi)的運動規(guī)律相似。

圖1 軸向壓力分布

圖2 截面壓力云圖

2.2 速度場分析

2.2.1 宏觀速度場分析

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，則說明物料在流道中的流動性越好。相比兩圖，從中發(fā)現(xiàn)開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，也就表明物料在開槽流道內(nèi)產(chǎn)生的速度較大，運動性及流動性更好。從圖中也看出開槽流道內(nèi)物料在螺棱處速度達到最大，整體看矢量箭頭也更錯綜復雜，運動也更復雜，物料交換性相對于常規(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間對擠出產(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看，需要物料在此階段擠出速度稍慢，也就是延長物料在混合段的停留時間，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，從圖中表明開槽捏合塊螺桿流道軸向速度較低，物料在此階段停留時間延長，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

下式為流道的加權(quán)平均剪切速率計算公式。

Ω——所計算的流道的域。

捏合塊屬于物料剪切元件，其對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)三頭開槽捏合塊相對于常規(guī)三頭捏合塊在擠出方向?qū)ξ锪嫌兄鼜姷募羟兴俾?。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。

3 結(jié)論

本文對兩種捏合塊螺桿流道進行模擬分析，在邊界條件相同的情況下，從速度場、壓力場、加權(quán)平均剪切速率等方面進行比較分析，發(fā)現(xiàn)開槽螺桿更有優(yōu)勢。

圖5 剪切速率分布

①開槽捏合塊螺桿增加物料流動能力，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開槽捏合塊螺桿增加了物料在混合階段的軸向往復運動，降低了擠出速度，延長物料在流道內(nèi)的停留時間，增加混合分布時間。