刀盘结构对水下切粒水室流场分布的影响

丁时康，张冰*，杨建兴

(1.北京化工大学机电工程学院，北京 100029；2.西安近代化学研究所，西安 710065)

造粒设备在石油化工行业里是必不可少的加工设备，造粒机按照物料冷却形式分为冷切和热切两大类，热切主要包括水环切粒技术和水下切粒技术。

水下切粒是一种新型的高聚物颗粒加工机械，因对聚合物的切粒和冷却过程是在切粒水室中完成而得名，其结构示意图如图1所示[1]。高聚物在熔融状况下，从口模挤出后在切粒水室的水介质环境中被回旋的切刀切断成颗粒，颗粒在水介质环境中冷却的同时，被水流运输到切粒机的出水口后离开切粒水室。

图1 水下切粒结构示意图

Kazuhisa，Fukutani[2]等对水下切粒机水室结构进行了调整，改变水室入水口和出口的角度和大小，调整水室内的流场流动状态。范杵兰[3]的七种常见切粒问题的解决方案中提到，由于聚合物熔体可能带有挥发性物质，可能会造成切粒空穴，因此，需要设置真空孔来预防，并进行了模拟分析。

谢经伟等在对ADC型水下切粒机的进刀压力做了修正[4]，分析描述了接触式切粒中的力学特征，提出了进刀压力曲线的测量和绘制方法。美国的 Hovey,S,Altenburg,Tamaqua[5]等人设计了一种可更换的，双或单刃连接刀架盘上的切刀结构，其适当的刀刃倾斜角度能够在更短的轴向位移增加切削力这种设计可以使切粒产品质量更高，也降低了对刀具的调整难度。

水下切粒机切粒的质量很大程度上受到模板的影响，而且模板还会直接影响切粒机的生产率。秦贞明等[6]分析了模具内聚合物流动过程中的速度场、压强、剪切速率场等流变学特性。

1 刀盘结构与水室流场物理模型

1.1 几何模型对比分析

水室流场的几何模型如图2所示，沿挤出方向，切刀部分为刀头、刀盘、刀座三部分构成。由于材料的特殊性，采用特殊结构的立式爪形刀盘，为达到切粒后的物料颗粒在水室内碰撞成型的目的，出入水口的构型抛弃传统的径向出入水口的设计，采用错位结构的高入低出的出入水口排布。

图2 立式切刀内部结构建模

传统水室内部刀盘结构为有效切粒面积较大的刀盘结构，切刀盘为一圆形不锈钢板，其上固定安装接近径向布置的多把切刀，为了简化模拟计算，所构建模型如下图3所示。采用相同的出入水口构型。

图3 传统切刀内部建模

对比两种切刀刀盘构型容易分析得出，两者最大的区别在于，立式爪形刀盘结构的切刀有效接触面积远小于传统刀盘，对比图如图4（阴影部分为切刀的效切割面积），在对切粒效率要求不高的情况下，对特殊材料进行切粒时，该结构的切刀构型在安全性上，远大于传统切刀。

图4 两种切刀构型对比图

1.2 数学模型

在进行流场模拟计算时，考虑到聚合物熔体在机头内流动的复杂性，需做出一些必要的假设。

（1）熔体为广义非牛顿流体且不可压缩。

（2）流场为等温、层流、稳态流场。

（3）熔体与壁面无滑移。

（4）惯性力和质量力忽略不计。

在以上假没前提下，描述流场的基本微分方程为：

连续性方程：

流体力学计算所用的动量守恒方程如下：

k-ε模型是目前数值模拟中使用最普遍的湍流模型。包括标准k-ε模型、RNGk-ε模型和Realizable k-ε模型。本文采用的湍流模型是Realizable k-ε模型，该模型在圆形和平板上的射流发散比率方面的预测比较准确。

1.3 边界条件

（1）入水口边界条件

工况流量为0.15 m3/h，出入水口为四分管，所对应的模拟入口流速为0.215 m/s。

（2）出水口边界条件

压力边界条件，设出口压力为0。

（3）壁面条件

光滑壁面，无滑移。

2 流场数值模拟及结果分析

2.1 两种不同刀盘结构的水室速度场分析

流场计算结束后，两模型得到速度流线图如图5、图6所示。从图中可以观察出，速度最大值都出现在出水口处，内部流线图都较为复杂。但可对比发现，爪形刀盘水室内部的高速区集中在水室上部，而传统刀盘水室下部为高速区；在水室内最大速度上，传统刀盘的最大速度比爪式刀盘的最大速度高约8.9%。

图5 爪形刀盘水室内速度流线图

图6 传统刀盘水室内速度流线图

如图5在靠近出水口从左至右设置三个截面，分别为截面一、截面二、截面三，对不同结构的模型的三截面平均速度进行对比分析得到图7。

图7 两种刀盘水室内截面平均速度

在两模型中，三个不同截面的平均速度。从图中可以看出，每个模型，都是截面二速度最大，截面三速度最小，传统刀盘的截面平均速度均大于爪形刀盘。

2.2 刀盘的位置对于水室内流场的影响

通过调节刀座长度和刀盘位置，对不同结构模型内部流场进行分析，保持切粒刀的下平面与模板造粒平面1 mm的距离，而且让切粒刀的刀头水平线与模板端面线平行如图8，通过调节L1、L2的长度，控制水室内部刀盘的位置，将水室前后分为刀盘前室和刀盘后室。将模型分为A、B、C、D、E五组，见表1。

表1 模型ABCDE列表

图9为在模型A、B、C、D、E中，三个不同截面的平均速度。从图中可以看出，每个模型，都是截面二速度最大，截面三速度最小。而截面一，即出水口处流速，不同模型基本保持一致。

图8 刀盘及刀座结构示意图

图9 不同结构模型的截面速度

由图9可以对比得出，模型E的流动速度较大，流动效果最好，原因是因为刀座长度和刀盘位置适宜，使得入水口处形成的射流不会直接受到切刀及相关结构的阻碍，造成过多的能量损失，以致流动受阻。

3 结论

本文利用fluent有限元软件对水下切粒水室的内部流场进行数值模拟计算，处理后得到不同结构刀盘的水室速度场分布，经过分析比较不同模型的计算结果，得到以下结论：

（1）传统刀盘的切刀有效切粒面积大于立式爪形刀盘，但应用于特殊材料领域，立式刀盘的安全性要优于传统刀盘。

（2）传统刀盘构型的水室流场和立式爪形刀盘速度场差别较大，流速高低分布区间不同，传统刀盘水室流速高的区域在水室下部，立式刀盘的水室高流速区则在水室上部。

（3）切刀的刀盘结构也会对水室内部流场产生一定影响，经过多组对比分析得出，适宜长度的刀座和刀盘会使得水室内部流动效果更佳，设计准则为避免入水口形成的射流对切刀结构直接冲击，造成能量损耗。

（4）不同的水室尽管内部结构不同，但在入水口速度保持不变的情况下，出口流速基本保持一致。