阮偉豪,武 凱

(南京理工大學 機械工程學院,江蘇 南京 210094)

在水產(chǎn)飼料加工領(lǐng)域,擠壓膨化是飼料顆粒較為普遍的生產(chǎn)方式[1]。在螺桿擠出過程中,生產(chǎn)的工藝參數(shù)和擠出的模具結(jié)構(gòu)會直接影響到擠出產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)的效率。利用計算機流體力學軟件對螺桿擠出過程進行數(shù)值仿真,可以得到擠出過程的多項物理參數(shù),進而分析對比不同工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)對擠出產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率的影響。在此方面,陳晉南等[2]研發(fā)了雙螺桿擠出平行4孔模具,數(shù)值研究了模具壓差對高黏度聚合物在雙螺桿擠出平行4孔模具流道內(nèi)熔體流場的影響;秦貞明等[3]數(shù)值研究了異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機模具過渡和穩(wěn)流段的等溫流場;時俊峰等[4]數(shù)值研究了不同工藝參數(shù)對雙螺桿擠出機機頭過渡體內(nèi)物料流場的影響;郎珊珊[5]研究了雙螺桿擠出機模具不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對擠壓組織化花生蛋白質(zhì)組織化度的影響;Adekola[6]研究了雙螺桿擠出機模具長度和模孔直徑對擠出機內(nèi)物料熔體流動特性的影響;梁軍杰等[7]數(shù)值研究了一種雙腔式鋰電池涂布擠壓模頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)對漿料在擠壓模頭出口速度分布均勻性的影響。

在生產(chǎn)水產(chǎn)膨化飼料時,常規(guī)的螺桿擠出模具的模孔直徑一般在1～20 mm,而面向魚苗和其他小型水產(chǎn)生物的膨化飼料粒徑為0.5～1.5 mm[8],生產(chǎn)此類小粒徑膨化顆粒的模具?？字睆叫∮?.5 mm。相對于常規(guī)粒徑膨化顆粒,小粒徑膨化顆粒對物料的均勻性和螺桿擠壓膨化機的擠出性能有更高的要求?，F(xiàn)有研究主要集中在螺紋幾何結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)對擠出過程和擠出品質(zhì)的影響[9]等方面,以增強螺桿的建壓能力和在擠壓過程中對物料的混合性能,在模具結(jié)構(gòu)和物料在模具內(nèi)流動狀態(tài)對擠出性能、顆粒質(zhì)量的影響方面研究較少[10]。本研究使用計算流體力學軟件POLYFLOW對?？字睆綖?.4 mm的模具內(nèi)的熔體流場進行了模擬,分析模前壓力、?？走^渡段錐孔角度對模具內(nèi)物料熔體各項物理量的影響,為小直徑?？椎哪＞邇?yōu)化和小粒徑膨化顆粒生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

本研究的幾何模型總長度為92.5 mm,包括螺桿擠出末端擴流區(qū)、擠出模具兩部分,如圖1所示。模型的坐標原點建立在螺桿擠出末端擴流腔體入口面的中心,沿z軸正方向為物料熔體擠出方向。為確保物料熔體能夠順利擠出,擠出?？自O(shè)計為階梯式圓柱結(jié)構(gòu),過渡段采用錐孔連接。模孔入口直徑為1 mm,出口直徑為0.4 mm,?？卓傞L度為5 mm,錐孔角度分別設(shè)置為15°、20°、25°、30°。

圖1 幾何模型

在實際仿真中,為減小計算所需資源量,根據(jù)該幾何模型的對稱性,選取完整模型的1/4作為計算區(qū)域進行模擬[11]。在進行網(wǎng)格劃分時,對雙螺桿擠出機末端擴流區(qū)腔體采用較大尺寸的四面體單元進行網(wǎng)格劃分,對?？撞捎幂^小尺寸的四面體單元進行網(wǎng)格劃分,如圖2所示,單個?？拙W(wǎng)格數(shù)量最高為2 454個,網(wǎng)格總體數(shù)量最高為142 144個。

圖2 1/4的幾何模型和網(wǎng)格劃分

2 數(shù)學模型和邊界條件

基于螺桿擠出過程熔體流動狀態(tài)和模擬需求,假設(shè):(1)物料熔體為冪律流體;(2)物料熔體為不可壓縮流體,且完全充滿流道;(3)流場為等溫穩(wěn)態(tài)流場;(4)由于流體雷諾數(shù)較小,流動為層流運動;(5)由于物料熔體的慣性力、重力遠小于黏性力,慣性力、重力等體積力忽略不計;(6)流道壁面無滑移。

基于上述假設(shè),流場的連續(xù)性方程、運動方程和本構(gòu)方程[12]為:

?·u=0

(1)

-?pI+?·τ=0

(2)

(3)

D=(?u+?uT)/2

(4)

(5)

物料選為玉米粉[13],在玉米粉含水率為28%、溫度為150℃時,物料的稠度系數(shù)K為8 000 Pa·sn,冪律指數(shù)n為0.4,密度ρ為1 200 kg/m3。

模擬計算時,給定邊界條件:給定入口壓力分別為5、10、15 MPa[14];給定出口壓力為0.1 MPa;模型左右壁面為對稱面,其他壁面無滑移。

3 結(jié)果與分析

3.1 模前壓力對物料熔體各物理量的影響

沿z軸每隔0.25 mm取?？椎臋M截面,計算物料熔體速度、壓力、剪切速率、剪切應(yīng)力、黏度等物理量在每個橫截面上的平均值,以分析不同模前壓力下物料熔體各物理量平均值沿軸向的變化。物料熔體各物理量的平均值定義為:

(6)

式中,x為各物理量。

圖3(a)～(e)分別給出不同模前壓力下物料熔體在過渡段錐孔角度為30°模孔內(nèi)的各物理量的平均值沿z軸的變化。從圖中可以看出,隨物料熔體在進入擠出模具前所受壓力增大,物料熔體在模具內(nèi)的平均速度、平均壓力、平均剪切速率、平均剪切應(yīng)力增加,平均黏度減小,且在15 MPa的模前壓力下流場變化最為明顯。由圖3(a)可知,在5、10、15 MPa的模前壓力下,物料熔體在出口處的速度分別為2.27、13.12、36.42 m/s,速度相差近16倍,表明物料熔體在模具內(nèi)流速受模前壓力影響較大。同時,物料熔體在模孔出口處的速度在一定程度上代表擠出機的擠出效率,即增加模前壓力能在一定程度上提高螺桿擠出的擠出性能和產(chǎn)量。

圖4給出物料熔體在15 MPa的模前壓力下沿yz截面的壓力場、速度場、剪切速率場、剪切應(yīng)力場。如圖4(b)所示,物料熔體在模孔內(nèi)所受壓力沿z軸方向逐漸降低。在不同的模前壓力下,物料熔體在?？兹肟谄街倍魏统隹谄街倍蔚淖兓俾示鄬Ψ€(wěn)定;在?？走^渡段,隨模前壓力的增加,物料熔體所受的壓力出現(xiàn)小幅度的增長。在過渡段的壓力增長使得物料熔體極易在錐孔內(nèi)產(chǎn)生回流現(xiàn)象,導致顆粒匯集成較大的顆粒團,從而堵塞模孔。

圖4 15 MPa模前壓力下yoz截面熔體的流場

結(jié)合圖3和圖4分析,在沿z軸方向上,不同模前壓力下物料熔體的速度、剪切速率、剪切應(yīng)力的總體變化趨勢近似。在?？兹肟谄街倍?物料熔體的平均速度、平均剪切速率、平均剪切應(yīng)力相對穩(wěn)定,呈現(xiàn)小幅度的增長趨勢;在模孔過渡段,物料熔體的速度、剪切速率、剪切應(yīng)力隨?？字睆接? mm縮小至0.4 mm而發(fā)生急劇性的變化:相對于?？兹肟谄街倍?物料熔體的速度增加了約1.3倍,剪切速率增加了約8.2倍;在模孔出口平直段,物料熔體受到的壓降作用增強,其速度呈現(xiàn)較大增長趨勢,剪切速率與剪切應(yīng)力的變化趨勢減緩并趨于穩(wěn)定。相對于入口平直段和過渡段,物料熔體在出口平直段受到剪切作用較強,有助于破碎由于?？卓讖綔p小而匯集的物料顆粒,使物料顆粒在單位體積內(nèi)更加均勻,在一定程度上緩解由于模前壓力增加而形成的物料顆粒團,同時較高的剪切作用會增強物料熔體擠出模具后的脹大效應(yīng),使物料獲得更高的膨化效果。

3.2 過渡段錐孔角度對熔體各物理量的影響

針對?？走^渡段對物料熔體的影響,數(shù)值模擬不同過渡段錐孔角度下物料熔體在模孔內(nèi)的流場。為深入分析流場變化,在幾何模型yz截面上取模孔的中心軸線a-a,如圖1所示。圖5(a)～(d)給出15 MPa模前壓力下物料熔體各物理量在不同過渡段錐孔角度的?？變?nèi)沿中心軸線a-a的變化。從圖中可以看出,過渡段錐孔角度的變化對各物理量沿?？字行妮S線a-a的影響主要集中在?？走^渡段和出口平直段。

圖5 不同過渡段錐角下熔體各物理量沿?？字行妮S線a-a的變化

如圖5(a)和(b)所示,在?？走^渡段,物料熔體速度和壓力沿?？字行妮S線a-a的變化趨勢隨錐孔角度減小而減緩。這是由于,隨錐孔角度減小,物料熔體因?？字睆綔p小而產(chǎn)生的壓增逐漸小于其沿軸線的壓降,物料熔體在過渡段產(chǎn)生的壓力增長得到緩解,由于壓力變化產(chǎn)生的速度波動也隨錐孔角度減小而消失。在出口平直段,物料熔體速度和壓力沿?？字行妮S線a-a的分布與圖3所示的平均速度、平均壓力沿z軸的變化近似,且隨錐孔角度減小,物料熔體的速度在?？壮隹谔幍乃俣扔忻黠@降低,在一定程度上會影響螺桿擠出機的擠出效率。

如圖5(c)和(d)所示,物料熔體的剪切速率、剪切應(yīng)力在不同錐孔角度下沿模孔中心軸線a-a的變化趨勢基本吻合。隨錐孔角度減小,剪切速率、剪切應(yīng)力總體的變化趨勢減緩,在過渡段與出口平直段的波動近似、差值較小,表明錐孔角度的變化對物料熔體在模孔內(nèi)所受剪切作用的影響較小,對顆粒的膨化效果影響近似。

4 結(jié)論

本研究利用POLYFLOW軟件分別數(shù)值模擬了不同模前壓力、不同?？走^渡段錐孔角度下物料熔體在0.4 mm模孔內(nèi)的等溫流場,分析物料熔體在流道內(nèi)的速度、壓力、剪切速率、剪切應(yīng)力的變化規(guī)律,比較不同模前壓力和不同過渡段錐孔角度對小直徑?？讛D出的穩(wěn)定性、均勻性的影響。

研究結(jié)果表明,物料熔體在小直徑?？變?nèi)的流場分布與較大?？變?nèi)的不同,其流動狀態(tài)受模前壓力影響較大、受過渡段錐角影響較小。在整個?？變?nèi),物料熔體的壓力沿z軸呈線性降低,熔體速度和所受剪切作用受壓力變化較為明顯,特別是在過渡段各物理量出現(xiàn)顯著增長;隨模前壓力增加,?？變?nèi)物料熔體的各物理量都有較大的提升,但同時會增大物理量在整個模孔內(nèi)的變化梯度;隨錐孔角度減小,各物理量在過渡段的變化趨勢減緩,但速度、剪切速率等在出口平直段有所降低。

在小粒徑膨化顆粒生產(chǎn)中,增加模前壓力可以提高擠出效率和產(chǎn)量,但會影響顆粒均勻性和擠出顆粒的質(zhì)量,且容易導致?？锥氯?采用較小錐孔角度的模板可以提高擠出的均勻性,有利于物料的平穩(wěn)擠出,但會影響產(chǎn)量。因此,在實際應(yīng)用中,需要根據(jù)物料與產(chǎn)品的實際特性,平衡多種生產(chǎn)因素,以獲得最佳的擠出效果和顆粒質(zhì)量。