增强反应注射成型机混合头内流体高压高速对撞过程模拟与分析

邓世欣，王 建，杨卫民

（北京化工大学机电与工程学院，北京 100029）

0 前言

反应注射成型（reaction injection molding，RIM）是一种将两股可以反应的物料在混合头内对撞混合，然后射入模具中使之完全反应生成制品的复合材料成型加工方法。最常见的就是异氰酸酯和聚醚多元醇反应生成聚氨酯制品。混合头作为反应注射成型机器中重要部件极具研究的意义，根据混合方式的不同混合头又分为搅拌混合头、对撞混合头、空气混合头和摩擦式混合头［1］。每种混合头具有不同的特点，根据物料的特点和实际生产的需求选取适合的混合头。计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD），是一种可以通过预设的边界条件和计算，从而获得流场内某个位置以及一些关键点的速度、压力、温度等物理量以及这些物理量随时间的变化情况，通过计算机数值计算和图像显示根据这些信息，对模拟的流场进行优化设计［2］。CFD分析可用于RIM混合头的混合效果分析中，用于指导相关结构、尺寸参数和工艺参数的设计与优化。付琳等［3］利用CFD对低压搅拌混合头的叶片层数、周向叶片数和叶片倾斜角3个参数对混合效果的影响进行了模拟分析，有效地指导如何优化其结构。戴兵等［4］模块化设计了聚氨酯发泡设备，通过CFD仿真分析了混合头尺寸参数和混合压力对混合效果的影响，确定了最佳的混合头尺寸参数和混合压力值。李山鹏及其团队对聚氨酯电动发泡机在公路修复领域的应用进行了研究，利用了Fluent软件，对高压高速混合的3种撞击方式分别进行了模拟，最终确定了采用一种旋撞混合方式来提高其混合效果［5］。Ying Liu及其团队利用CFD软件对化学过程中常见的一种撞击射流反应器进行了混合反应的预测性分析，基于基本湍流运输理论能够准确的预测湍流对应的射流雷诺数范围内的实验转换数据［6］。增强反应注射成型（RRIM）是在反应注射成型（RIM）的原液中加入增强填料如玻璃纤维、碳纤维、Kevlar纤维、云母片、硅灰石、玻璃微球和中空玻璃微球等［7］。上述CFD分析均是针对常规RIM混合头开展的，鲜有对于RRIM混合头的CFD分析报道。与RIM聚氨酯材料相比，RRIM聚氨酯材料弯曲强度、撕裂强度和压缩强度有明显提高、尺寸稳定性增强、耐热和耐化学性提高、硬度增大。RRIM增加了填料预先加入原料预混合的过程，同时增强填料的加入使原料的黏度急剧上升，因此必须重视增强填料的加入带来的各种问题，包括增强填料和原料之间的浸润性、分散性；传送过程的沉积、对设备的磨损和计量系统的影响。本文通过CFD方法模拟分析了以玻璃微球（SiO2）作为增强填料加入多元醇（POLY）组分与异氰酸酯在L形混合头中对撞混合的过程，旨在得出其混合特性及流动规律，指导针对此类工况下的混合头设计及工艺优化工作。

1 数值模拟

1.1 物理模型及网格划分

1.1.1 物理模型

混合头的结构为L形，采用循环式系统，内部两组分进料口直径为2 mm，混合区直径为8 mm，喷口处直径为12 mm，模型及工作原理如图1所示。当混合腔阀门在图1中的左图时AB两组分原料流经混合腔内后回流，喷嘴阀门向上移动准备打开。在图1中的中图时，喷嘴阀门完全开启，混合腔阀门准备打开。在图1中的右图时，混合腔阀门完全打开，此时AB两组分原料在混合腔内进行高速对撞混合，并由喷嘴处射出至模具中。

图1 L形混合头工作原理示意图Fig.1 Mixing head of type“L”working principle schematic diagram

1.1.2 网格划分

由于高速高压碰撞区域复杂且形状不规则，若不考虑结构特点而整体采用精密的网格则会使得计算机负载过大，增加了计算时间。因此在混合腔部分采用了局部加密，网格单元大小为1 mm，整体网格数量为501 281，如图2所示，6种边界条件下均采用相同的网格划分。

图2 网格划分Fig.2 Meshing of mixed heads

1.2 控制方程及边界条件

1.2.1 控制方程

控制方程选用Realizable k-ε模型：

式中ρ——流体密度

V——运动黏度

xi，yi——各坐标分量

Gk——平均速度梯度所产生的湍动能

σk，σε——湍动能k和湍流耗散率ε的湍流普朗克数

1.2.2 材料特性与边界条件

A 料异氰酸酯（Lsocyanate），密度为 1.233×10-6kg/mm3，动力黏度为 2×10-7N·s/mm2，比热为2.515 6×106N·mm/（kg·℃），热导率为 0.2 N·mm/（mm·s·℃）。B料聚醚多元醇（Polyether polyol），B1为添加了5%（质量分数，下同）SiO2的聚醚多元醇，其密度为1.044×10-6kg/mm3，动力黏度为1.72×10-6N·s/mm2，比热为1.67×106N·mm/（kg·℃），热导率为0.18 N·mm/（mm·s·℃）；B2 为添加了7.5%SiO2的聚醚多元醇，其密度为1.061×10-6kg/mm3，动力黏度3.885×10-6N·s/mm2，比热为1.67×106N·mm/（kg·℃），热导率为0.18 N·mm/（mm·s·℃）。B3为添加了10%SiO2的聚醚多元醇，其密度为1.078×10-6kg/mm3，动力黏度6.05×10-6N·s/mm2，比热为1.67×106N·mm/（kg·℃），热 导 率 为 0.18 N·mm/（mm·s·℃）。 B4 为 添 加 了12.5%SiO2的聚醚多元醇，其密度为1.095×10-6kg/mm3，动 力 黏 度 8.215×10-6N·s/mm2，比 热 为 1.67×106N·mm/（kg·℃），热导率为0.18 N·mm/（mm·s·℃）。B5为添加了15%SiO2的聚醚多元醇，其密度为1.113×10-6kg/mm3，动 力 黏 度 10.38×10-6N ·s/mm2，比 热 为 1.67×106N·mm/（kg·℃），热 导 率 为0.18 N·mm/（mm·s·℃）。

环境温度/初始组件温度为20.05℃，A料/B料=1∶1，A料（ISO）入口质量流量分别为：0.05、0.1、0.15 kg/s；B料（POLY）入口质量流量分别为：0.05、0.1、0.15 kg/s。环境压力为0.101 325 MPa。如表1所示的6组边界条件进行模拟。

表1 各边界条件编号Tab.1 Number of each boundary condition

2 模拟结果及分析

2.1 流量对混合效果的影响

根据控制变量法，首先探究质量流量变化对混合效果产生的影响，如图3、图4所示对比同样采用B1料（5%SiO2）的1-1，1-2，1-3这3种边界条件下的速度分布和压力分布云图可以发现，随着质量流量的增加，混合腔内的平均速度和压力显著升高。同时显而易见的是速度和压力在竖直剖视云图上呈现右上角为高压高速对撞混合区，因此压力和速度最大区域为右上角对撞混合区域，在经过对撞混合后压力速度由对撞混合区到出口逐渐降低；在水平剖视云图上看速度和压力分布是不均匀的，虽然A料（ISO）的密度大于B料（POLY），在相同的质量流量下B料入口的流速大于A料入口的流速，但是在靠近B原料出口处出现了高压高速区，可见AB两组分黏度差异是主要影响因素，当入口质量流量相同时，导致AB料高速碰撞位置偏向于黏度高的B料（POLY）一侧。

图3 A料与B1料混合速度分布云图Fig.3 Cloud diagram of mixing speed distribution of materials A and B1

图4 A料与B1料混合压力分布云图Fig.4 Cloud diagram of mixed pressure distribution of materials A and B1

2.2 黏度对混合效果的影响

将采用B3、B5料进行模拟的3-1、3-2、3-3、5-1、5-2、5-3这6组结果与1-1、1-2、1-3对比。如图5、图6所示，相同的质量流量下随着黏度的增大混合腔内速度变化不大，但是速度分布区别较大；在水平剖视图中靠近高黏度的B料入口处的高压高速区域随着B组分中SiO2含量增加而显著扩大，且相同质量流量下的高压高速对撞区域因为黏度差的增加更加偏向于高黏度物料出口处。

图5 速度分布云图Fig.5 Velocity distribution cloud diagram

图6 压力分布云图Fig.6 Pressure distribution cloud diagram

2.3 流动过程中数值变化

为了更好的表征整个混合头内两组分混合过程中各个重要参数的变化，如图7左上所示，从两组分物料入口处开始到出口，以混合头圆柱形腔的中心轴线建立x轴，根据仿真结果绘制成如图7所示速度、静压、密度以及物料质量分数的变化曲线。显而易见的是15组边界条件下的速度和压力在0～10 mm区域变化剧烈，这是因为此时两种物料在混合区初段，在混合区末段和射出区域逐渐平稳。轴线上的密度5-1曲线最快趋于平稳且整体波动不大，是因为这一组边界条件有着最大的黏度和最慢的流速，因此混合效果最差。同理轴线上异氰酸酯和含有SiO2的聚醚多元醇两组分的质量分数也是5-1条件下最快趋于平稳且整体曲线波动不大。根据仿真计算的结果选取如表2所示15组模拟的平均总压、平均速度、平均湍流黏度长度强度和摩擦力的大小。对比相同流量不同SiO2含量下平均速度和平均总压的变化，可以看出随着SiO2浓度的增加平均速度有所下降，但平均总压有所提升。无论是增加了流量还是SiO2的含量平均动力黏度与摩擦力均有明显的提升，也就是想要获得良好的混合效果，对混合头混合区域的磨损相应地也会增加，因此在设计混合头时对耐磨性的设计考虑也成为了重要的因素之一。湍流强度作为衡量一个流动过程中流体随时间变化而在空间中位移的剧烈程度的物理量，很好的表征了15种边界条件下的混合效果。在SiO2含量最少也就是黏度低，同时流量最大的情况下拥有最大的平均湍流强度最好的混合效果，平均湍流强度随着流量的降低和黏度的增加而减小，且黏度对其影响较大。

图7 速度、静压、密度以及物料质量分数的变化曲线Fig.7 Variation curves of velocity，static pressure，density and mass fraction of the materials

表2 各组模拟结果的重要参数Tab.2 Important parameters of simulation results of each group

2.4 粒子示踪分析

在实际的反应注射成型过程中，所添加的SiO2颗粒的分散效果对最终制品的性能起到决定性的作用。当增加了SiO2粒子含量导致POLY组分的黏度增加时，为了探究SiO2粒子在混合过程中的分散效果，以及分散效果最终受到哪些因素的影响，笔者在前面的15组模拟的边界条件下进行了粒子的示踪模拟分析。本粒子示踪模拟分析在POLY入口处注入了SiO2颗粒，颗粒粒径为100 μm，点数为20。停留长度是指的各个粒子在整个混合过程中流动的距离，流动距离越长说明混合的越充分，混合效果越好；停留时间则是指的各个粒子在整个混合过程中由入口平面到达出口平面所用的时间。对上述两个重要的参数取平均值得到了如图8所示的20个粒子的平均停留长度和平均停留时间统计图。显而易见的是颗粒在混合腔内的停留长度受到物料黏度的影响较大，而且黏度较高的物料停留长度更加稳定。颗粒平均停留长度随质量流量的提高而增长；随物料黏度的提高而减短。颗粒在混合腔内的停留时间随质量流量的提高而减短，黏度较高物料的颗粒停留时间略长。

图8 粒子平均停留长度和停留时间图Fig.8 Average retention length and average retention time

3 结论

（1）增加质量流量会导致混合腔内速度压力的提升也就是对撞程度变高，同时对撞的位置会更加偏向于黏度高的物料出口侧，且摩擦力增加；

（2）增加黏度会导致混合腔内物料的压力提升速度降低，同时对撞位置明显更加偏向于黏度高的物料出口侧，且摩擦力显著增加；

（3）作为增强材料的颗粒在混合腔内的停留长度随质量流量的提高而增加，随物料黏度的提高而减短且受到黏度的影响较大；停留时间则随质量流量的提高而显著减短，随物料黏度的提高而略微增加。