吳小娟,朱建軍,殷偉芬

(鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校 化學(xué)與材料工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

單螺桿擠出非等溫三維流場的數(shù)值分析

吳小娟,朱建軍,殷偉芬

(鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校 化學(xué)與材料工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

為詳細(xì)了解螺旋擠壓工藝對聚合物物料的性能產(chǎn)生的影響,在螺桿轉(zhuǎn)速為10 rpm,進(jìn)出口壓差為2×107Pa工藝條件下,利用網(wǎng)格重疊技術(shù),借助于Polyflow軟件數(shù)值模擬單螺桿均化段擠壓過程。分析流道內(nèi)壓強(qiáng)、速度、剪切速率、黏度、黏性生熱和溫度場的分布規(guī)律,為進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。

單螺桿擠出機(jī);三維非等溫流;Polyflow;網(wǎng)格重疊技術(shù)

旋擠壓技術(shù)具有高效、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于聚合物加工、食品、醫(yī)藥及軍工生產(chǎn)等領(lǐng)域。改變螺壓工藝參數(shù)會對產(chǎn)品性能產(chǎn)生較大的影響,對于一些敏感物料,超限的壓力、溫度會引起它們不必要的熱分解,導(dǎo)致燃燒爆炸事故[1]。目前關(guān)于螺旋擠出過程的理論研究還局限于比較簡單的等溫模型,本文借助Ployflow軟件模擬某聚合物代料在單螺桿計量段的三維非等溫流場,探索流道內(nèi)的壓力、速度、剪切速率、黏度、黏性生熱和溫度的變化規(guī)律,為聚合物生產(chǎn)工藝的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù),同時可避免活性物料在擠壓過程中不正常分解,降低事故風(fēng)險。

1 物理模型

本文選用的雙頭單螺桿計量段幾何參數(shù)如表1所示。為減輕計算機(jī)內(nèi)存的計算負(fù)擔(dān),僅在一個導(dǎo)程長的螺紋塊中進(jìn)行模擬。

表1 單螺桿均化段設(shè)計尺寸

分別對螺桿和流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分,形狀復(fù)雜的螺桿域采用正四面體網(wǎng)格劃分,形狀規(guī)則的流體域采用六面體網(wǎng)格劃分,將其組合,如圖1所示,網(wǎng)格質(zhì)量良好。模擬時采用的網(wǎng)格重疊技術(shù)(Mesh Superposition Technique)對有運動邊界條件的模型有良好的適用效果,不必隨邊界的運動對網(wǎng)格進(jìn)行重新劃分[2]。

圖1 螺桿、流道網(wǎng)格劃分圖

2 控制方程

在進(jìn)行三維流場計算時,為了求解方便,通常作如下假設(shè):

1) 流道內(nèi)充滿不可壓縮的聚合物熔體。

2) 流道內(nèi)流體為廣義牛頓非等溫流。

3) 由于聚合物熔體的高黏性,慣性力和質(zhì)量力相對于黏性力很小,可忽略不計[3]。

基于以上假設(shè),可以用一組微分方程描述流場的基本狀態(tài)[4]。

連續(xù)性方程

·u=0,

(1)

運動方程

(2)

能量方程

(3)

本構(gòu)方程

(4)

(5)

式(5)中,η0為零剪切黏度(Pa·s-1),λc為Bird-Carreau模型參數(shù),n為非牛頓指數(shù),T0為參考溫度(K),b為黏度的溫度修正系數(shù)。

數(shù)值分析中采用的物料性質(zhì)參數(shù)分別為

T0=333 K,

λc=4.48 s,

n=0.38,

η0=2.5×107Pa·s,

b=2。

3 邊界條件

1) 運動邊界條件。螺桿轉(zhuǎn)速為10 rpm,假設(shè)流道無滑移,外邊界與機(jī)筒接觸速度為0,內(nèi)邊界與螺桿表面速度相等,入口質(zhì)量流量為0.01 kg·s-1,進(jìn)出口壓差為2×107Pa。

2) 熱邊界條件。螺桿計量段物料初始溫度為60 ℃,螺桿壁保持80 ℃,機(jī)筒內(nèi)壁保持70 ℃,均化段熔體的溫度分布主要由黏性生熱和熱傳導(dǎo)決定。

4 結(jié)果分析

利用上文所述的邊界條件,對控制方程進(jìn)行求解,能量方程與運動方程通過黏度相互耦合?？刂品匠叹哂袕?qiáng)烈的非線性,不能得到其解析解[6]。利用基于有限元方法的流體動力學(xué)分析軟件Polyflow可以得到該螺桿計量段流場區(qū)域各截面的壓應(yīng)力、速度、剪切速率、黏度、黏性生熱和溫度場的數(shù)值解。

在流場內(nèi),沿z軸方向取縱截面,分析物料在螺棱附近流場分布。并在此截面上(x=0.051 m處)取一條沿z軸的直線,分析各參量沿此直線分布情況。

4.1壓力

縱截面上的壓力分布云圖如圖1所示,物料在螺棱推進(jìn)側(cè)壓力較高,在拖曳側(cè)壓力較小。因為在螺桿的旋轉(zhuǎn)作用下,螺棱推進(jìn)側(cè)對物料產(chǎn)生強(qiáng)烈擠壓,從而使得壓力達(dá)到峰值,在敏感物料生產(chǎn)過程中需要注意壓力快速變化帶來的危害。該平面x=0.051 m處壓力分布如圖2所示。

圖1 y=0截面壓力云圖

圖2 沿z軸壓力曲線圖

4.2速度

縱截面上的速率分布云圖如圖3所示,內(nèi)層物料(靠近螺齒處)運動速度較高,外層物料(靠近套筒壁面)運動速度較低,這與施加的邊界條件吻合。該平面x=0.051 m處速度分布如圖4所示,速度在兩個螺棱處達(dá)到峰值,且第2個峰值高于第1個峰值。分析原因可知,物料是不可壓縮流體,根據(jù)質(zhì)量守恒定律,在流道逐漸變窄情況下,線速度會逐漸遞增。

圖3 y=0截面速度云圖

圖4 沿z軸速度曲線圖

4.3剪切速率

縱截面上的剪切速率分布云圖如圖5所示,內(nèi)層物料(靠近螺齒處)所受剪切速率較高,外層物料(靠近套筒處)所受剪切速率較低。螺桿運動過程中對物料產(chǎn)生剪切作用,螺棱處較高的速度產(chǎn)生較大的剪切速率,同理,在螺棱處剪切應(yīng)力也會達(dá)到峰值,該平面x=0.051 m處剪切速率分布如圖6所示。

圖5 y=0截面剪切速率云圖

圖6 沿z軸剪切速率曲線圖

4.4黏度

前文分析可知,內(nèi)層物料(靠近螺齒處)所受剪切速率較高,基于假塑性流體理論,黏度隨著剪切速率的增加而減小,所以在螺齒處黏度達(dá)到最小值,如圖7所示。在螺棱處及其附近,物料因凸起的螺棱傳熱升至較高的溫度,根據(jù)近似Arrhenius公式可知,此處黏度會因溫度的影響而進(jìn)一步降低,該平面x=0.051 m處黏度分布如圖8所示。

圖7 y=0截面黏度云圖

圖8 沿z軸黏度曲線圖

4.5黏性生熱

縱截面上的黏性生熱分布云圖如圖9所示,黏性生熱云圖與速度云圖變化規(guī)律類似,在螺棱處及其周圍達(dá)到黏性生熱峰值;在同一段螺槽內(nèi),螺棱處的黏性生熱量也高于螺槽部分。物料在螺棱處受較大的剪切應(yīng)力作用,螺棱頂端處剪切速率高,高分子物料受到剪切力和摩擦力的共同作用,分子鏈斷裂和重排加劇,引起分子的劇烈運動,從而導(dǎo)致黏性生熱量增多[7]。該平面x=0.051 m處黏性生熱分布如圖10所示。

圖9 y=0截面黏性生熱云圖

圖10 沿z軸黏性生熱曲線圖

4.6溫度

縱截面上的溫度分布云圖如圖11所示。引起物料溫度變化的因素眾多,通常是螺桿和套筒傳熱、物料之間的對流傳熱及黏性生熱共同作用的結(jié)果。模擬結(jié)果中雖未看到溫度規(guī)律性的分布,但物料溫度相對于入口處有明顯的提升,如圖12所示。在進(jìn)行活性聚合物物料加工時,高溫可能促進(jìn)活性物料的快速分解,釋放出大量氣體及熱量,引發(fā)火災(zāi)或爆炸事故。

圖11 y=0截面溫度云圖

圖12 沿z軸溫度曲線圖

5 結(jié)論

本文通過Polyflow軟件對高分子物料螺壓工藝均化段流場進(jìn)行模擬分析,得到如下結(jié)論:

1) 因螺棱的擠壓作用,壓應(yīng)力在推進(jìn)側(cè)會迅速提升,然后隨著物料前進(jìn)逐步降低。

2) 螺棱速度、剪切速率和黏性生熱有類似的分布規(guī)律,在螺棱附近達(dá)到最大值,靠近套筒壁面處達(dá)到最小值。

3) 由于螺棱附近區(qū)域剪切速率高,物料黏度變小。

4) 因螺桿加熱及黏性生熱等因素作用,物料會有明顯的溫升,易誘發(fā)活性物料快速分解,引起火災(zāi)或爆炸事故。

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〔責(zé)任編輯： 盧 蕊〕

Numericalanalysisofthreedimensionsnon-isothermalflowzoneforsingle-screwextrusion

WU Xiao-juan， ZHU Jian-jun， YIN Wei-fen

(School of Chemical and Material Engineering, Zhenjiang College, Zhenjiang 212003, China)

In order to investigate the influence of polymer material, the Polyflow software was used to simulate the spiral extrusion process with the MST technology. When the rotation speed was 10rpm, the pressure difference between the entrance and exit of the extruder was 2×107Pa. Six parameters (the pressure, the velocity, the local shearing rate, the viscosity, the viscosity heating and the temperature) were analyzed in the runner. It aims to provide theoretical basis for further optimization of process parameters.

single-screw extruder; 3-D non-isothermal flow; Polyflow; MST

2015-05-26

吳小娟(1982—),女,江蘇大豐人,講師,主要從事安全生產(chǎn)技術(shù)和工程力學(xué)研究;朱建軍(1969—),男,江蘇海安人,教授,主要從事工業(yè)安全技術(shù)與管理研究。

TQ320.66

： B

：1008-8148(2015)04-0048-04