开槽三头啮合块双螺杆挤出机数值模拟

■徐文海 陈安柱 苏宏林

（盐城工业职业技术学院，江苏盐城224043）

啮合同向双螺杆挤出机是最常用的聚合物混合设备之一。其优异的混合性能及灵活易用的特点使之被广泛应用[1]。除此之外，啮合双螺杆拥有的自洁特点避免了物料在流道中的残留，也避免了物料发生降解。现如今组合螺杆的剪切混合元件被广泛应用，其中最常使用的就是捏合块剪切元件。为使设计和优化捏合块元件获得一些参考依据，对其流场进行模拟分析是必要的[2-6]。

开槽型螺杆已经被许多学者研究分析，其相对于普通螺杆对物料有更好的混合分散性及停留时间分布，然而对于开槽型捏合块的研究则相对较少[7-9]。捏合块处于螺杆挤压的混合部分，其对物料有着较强的剪切能力，但由于缺少类似螺杆的螺槽故导致对物料的混合以及停留分布不太理想。本文在常规三头捏合块的基础上加以改进，在螺棱处增加沟槽。为了进一步了解此种元件，本文利用ANSYS-CFX流体计算软件对开槽三头捏合块流场进行数值模拟分析，并与常规三头捏合块流场进行对比分析。

1 理论模型

1.1 有限元模型

在比较研究开槽三头捏合块于常规三头捏合块混合性能时，本文分别建立了相同参数的流道力学模型，其三维实体模型由Inventor软件构建，后导入ANSYS前处理软件。模拟的三头捏合块外圆直径为22 mm，厚度均为6 mm且错列角均为30度。流道模型可由ANSYS-CFX软件中模型处理包裹去除螺杆得到，再利用自适应技术划分高品质六面体网格。两种捏合块及各自流道模型具体参数及流道见表1。

1.2 计算模型

流体在捏合块流道内的挤出运动十分复杂，故本文为方便做流场的模拟，依据流体力学理论对环境进行假设。假设内流场的数学模型满足以下条件:

①流体为幂律流体；

②流动为层流运动；

表1 计算模型详细特征

③流场为等温流场且不随时间变化；

④流体为不可压缩流体；

⑤由于惯性力、重力等体积力远小于黏性力，忽略惯性力、重力等体积力；

⑥机筒内壁和螺杆表面无滑移；

⑦物料完全充满流道。

1.2.1 运动方程

通过牛顿第二定律推导出运动方程[11]：

再经过假设条件简化得到表达式为：

1.2.2 本构方程

式中：η——粘度；

k——稠度系数(Nsn/m2)；

n——流动指数0.75。对于剪切稀化流体0＜n＜1；

1.2.3 边界条件

本文对不同参数捏合块螺杆流道设置相同的边界条件，以进口流量和出口压力作为边界条件，具体如表2所示。

表2 边界条件

2 计算结果与分析

2.1 压力场分析

2.1.1 轴向压力场

常规三头捏合块流道轴向压力分布与开槽捏合块流道轴向压力分布如图1所示，从中明显发现压力随着捏合块流道挤出方向而逐渐变大，从而表明捏合块与螺纹元件螺杆一样，具有一定的建压能力。在相同的模拟环境下，两种捏合块的建压能力从图1中可以明显发现区别，开槽捏合块螺杆相比于常规捏合块具有更强的建压能力，也就是说对物料的挤出能力更加突出。

2.1.2 截面压力场

图2所示为两流道截面压力云图，从图中发现，两流道截面压力状况相似，随着顺时针方向压力逐渐增加，在每个螺棱处到达最大，不断循环。压力的递增方向与螺杆转向相同，由此螺杆螺棱推动物料在流道内作螺旋运动。经过对两种流道截面压力进行比较发现，物料在两流道截面内的运动规律相似。

图1 轴向压力分布

图2 截面压力云图

2.2 速度场分析

2.2.1 宏观速度场分析

图3是两流道的宏观速度矢量图，图中矢量箭头颜色深浅代表速度大小，颜色越亮代表速度越大；矢量箭头越密集，则说明物料在流道中的流动性越好。相比两图，从中发现开槽捏合块矢量图箭头密集，颜色也较常规捏合块矢量箭头鲜亮，也就表明物料在开槽流道内产生的速度较大，运动性及流动性更好。从图中也看出开槽流道内物料在螺棱处速度达到最大，整体看矢量箭头也更错综复杂，运动也更复杂，物料交换性相对于常规捏合块也更好。

图3 宏观速度矢量图

2.2.2 轴向速度

在螺杆混合段物料的挤出速度及停留时间对挤出产品质量有着至关重要的影响，在此阶段从加工工艺要求角度来看，需要物料在此阶段挤出速度稍慢，也就是延长物料在混合段的停留时间，有利于充分混合分布，增加均匀度从而提高挤出产品质量。图4是两种不同捏合块结构流道混合段物料的挤出速度，从图中表明开槽捏合块螺杆流道轴向速度较低，物料在此阶段停留时间延长，更有利于物料的充分混合及均匀分布。

图4 轴向速度分布

2.3 剪切速率场

下式为流道的加权平均剪切速率计算公式。

Ω——所计算的流道的域。

捏合块属于物料剪切元件，其对物料的剪切能力要比传统螺纹元件要更好，图5是常规捏合块与开槽捏合块的随轴向距离变化的加权平均剪切速率分布图，从图中可以发现三头开槽捏合块相对于常规三头捏合块在挤出方向对物料有着更强的剪切速率。捏合块的间隙中物料在高剪切力的作用下更加容易混合分散，使物料更加均匀，从而加工出的产品拥有更佳质量，因而发现开槽三头捏合块螺杆比常规三头捏合块螺杆有明显优势。

3 结论

本文对两种捏合块螺杆流道进行模拟分析，在边界条件相同的情况下，从速度场、压力场、加权平均剪切速率等方面进行比较分析，发现开槽螺杆更有优势。

图5 剪切速率分布

①开槽捏合块螺杆增加物料流动能力，整体混合更加均匀，剪切能力更加优良，有利于物料在混合阶段的充分混合分布。

②开槽捏合块螺杆增加了物料在混合阶段的轴向往复运动，降低了挤出速度，延长物料在流道内的停留时间，增加混合分布时间。