王禮翔

(中國石油天然氣股份有限公司 西南油氣田分公司成都天然氣化工總廠，四川 成都 610213)

0 引 言

保溫管是絕熱管道的簡稱，保溫管用于液體、氣體及其他介質(zhì)的輸送，用在石油、化工、航天、軍事、集中供熱、中央空調(diào)、市政等管道的絕熱保溫工程。防腐管是指經(jīng)過防腐工藝加工處理，可有效防止或減緩在運(yùn)輸與使用過程中發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象的管道[1]。因此防腐保溫管在國內(nèi)主要用于石油化工、天然氣、污水處理、水源、橋梁等管道工程領(lǐng)域，有重要的作用。

在單螺桿擠出中，固體輸送量決定擠出機(jī)的產(chǎn)量，且固體輸送段消耗的功率大，甚至達(dá)到整根螺桿消耗功率的60%左右。單螺桿擠出機(jī)固體輸送段的性能直接決定了單螺桿擠出機(jī)的擠出質(zhì)量和生產(chǎn)效率。螺桿擠出機(jī)固體輸送理論的研究還沒有形成系統(tǒng)的方法和技術(shù)，不能夠?qū)崿F(xiàn)物料高效低能耗輸送、高質(zhì)量塑化效果[2]。

目前的研究目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)物料高效、低能耗輸送同時(shí)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量塑化，滿足油田快速建設(shè)需要的同時(shí)提高防腐層的強(qiáng)度。

1 擠出成型技術(shù)研究

1.1 擠出過程概述

高聚物有三種存在形式：玻璃態(tài)，黏流態(tài)，高彈態(tài)。塑料的擠出是在黏流態(tài)中進(jìn)行的。物料由料斗進(jìn)入料筒，被旋轉(zhuǎn)擠壓進(jìn)機(jī)頭方向，加料段，螺槽被松散的固體粒子填充，物料被壓實(shí)；進(jìn)入壓縮段，螺槽變淺，物料在阻力下形成很高的壓力，開始被壓實(shí)，此時(shí)，料筒外熱，螺桿，物料的混合，剪切作用所產(chǎn)生的內(nèi)摩擦作用，物料溫度上升。當(dāng)塑料溫度達(dá)到黏流溫度，開始熔融。這時(shí)候物料繼續(xù)被向前推進(jìn)，物料量增加，大約壓縮段快要結(jié)束之時(shí)，物料全部變?yōu)轲ち鲬B(tài)，此時(shí)溫度不均勻，要經(jīng)過均化段變均勻。最后，物料被螺桿定量，定壓，定溫的擠壓進(jìn)機(jī)頭[3-6]。機(jī)頭中的口模使得物料以一定的尺寸和形狀成型。

1.2 固體輸送理論

此處介紹運(yùn)用廣泛的固體對固體的靜摩擦力平衡的輸送理論。假定螺槽中壓實(shí)的物料像固體塞子在運(yùn)動，塞子跟所有面接觸。螺桿與料筒表面取不同的摩擦系數(shù)，忽略料筒與螺棱的間隙，螺槽是矩形的，深度不變，固體塞子的密度不變。如圖1為固體塞運(yùn)動模型。

2 T形機(jī)頭流道設(shè)計(jì)

為表征擠出片材的厚薄均勻程度，可以將熔體在歧管封閉端單位寬度的體積流量，與其入口端單位寬度的體積流量之比，定義為流動均勻指數(shù)UI，則有

UI=

式中：UI為流動均勻性指數(shù)；n為材料函數(shù)；a=h/R；b=B/R；c=B/L。

方程說明，T形機(jī)頭擠出板材的不均勻性，是材料函數(shù)n和流道幾何參數(shù)a，b，c的復(fù)雜函數(shù)，而與塑料熔體的粘度無關(guān)。就其影響程度來看，以流道幾何參數(shù)a=h/R為最大，b=B/R最小，c=B/L居中。通常，可以取B=50～100 cm,R=2 ～5 cm,L=5～7 cm進(jìn)行預(yù)算內(nèi)，直至UI≥0.95為止。圖2是T型機(jī)頭模型。

圖1 固體塞運(yùn)動模型 圖2 T型機(jī)頭模型

入口區(qū)，歧管區(qū)，口模區(qū)，其主要參數(shù)設(shè)計(jì)原則：

入口直徑d，一般取30～80 mm，一般機(jī)頭會考慮d>35 mm。本研究選擇d=40 mm

縫隙長L，一般為擠出產(chǎn)品厚度的20～30倍，L越大，會使得擠出末端的阻力越大，物料和壓力的分布會越均勻，使得產(chǎn)品表面光滑。

根據(jù)青島大倉防腐管道生產(chǎn)有限公司生產(chǎn)工藝，擠出PE的擠出機(jī)機(jī)頭的寬度B可取1 000 mm。

基于參數(shù)設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)的三種方案中入口區(qū)，歧管區(qū)，口模區(qū)主要參數(shù)如表1所列。

表1 入口區(qū)，歧管區(qū)，口模區(qū)的主要參數(shù)

上述方案中選取材料函數(shù)n為1，則計(jì)算得流動均勻指數(shù)UI分別為：方案一UI=0.947 24，方案二UI=0.971 53，方案三UI=0.985 305。

3 機(jī)頭流動有限元仿真

3.1 機(jī)頭三維模型

在用Ansys對機(jī)頭進(jìn)行有限元分析之前，已經(jīng)對機(jī)頭的具體參數(shù)進(jìn)行了選擇以及簡單設(shè)計(jì)，通過三種T形機(jī)頭尺寸，對流道流體的速度以及壓力進(jìn)行流場仿真分析。通過流動均勻性比對，選擇出經(jīng)濟(jì)，擠出板材質(zhì)量好的機(jī)頭尺寸模型[7]。

3.2 網(wǎng)格劃分

因?yàn)門形機(jī)頭的結(jié)構(gòu)對稱性，只研究其對稱的1/4模型進(jìn)行計(jì)算與分析，使用四面體網(wǎng)格劃分方法，將流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在壁面邊界和幾何突變部位使用較小的網(wǎng)格來保證計(jì)算精度[8]。本模型采用FLUENT自帶的網(wǎng)格劃分方法，發(fā)現(xiàn)FLUENT自帶的網(wǎng)格劃分方法在劃分時(shí)間和計(jì)算時(shí)間上較優(yōu)。這是因?yàn)楸灸Ｐ徒Y(jié)構(gòu)簡單不復(fù)雜的原因。在網(wǎng)格查質(zhì)量的查看項(xiàng)目中，可以看到網(wǎng)格質(zhì)量。圖4的網(wǎng)格有23 047個(gè)節(jié)點(diǎn)，95 465個(gè)單元，平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.796，Min：0.105，Max：0.9999，整體質(zhì)量滿足要求。

圖3 機(jī)頭三維模型 圖4 FLUENT自帶的 網(wǎng)格劃分

3.3 邊界條件

邊界有入口面IN，速度為0.1 m/s，溫度為200 ℃即為473.15 K。出口面OUT，類型type為outflow。對稱面一DUICHEN1和對稱面二DUICHEN2其余邊界面WALL。固體壁面和對稱面symmetry均采用速度分量為0的無滑移邊界[9]。其界面圖如圖5所示。

3.4 物性參數(shù)

選取高密度聚乙烯HDPE(ethylene)為材料擠出，物性參數(shù)：比熱容Cp=1 800 J/kg·k，密度ρ=850 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.3 w/m·k，非牛頓流體參數(shù)的粘度viscosity設(shè)置界面如圖6所示。

圖5 邊界條件設(shè)置工作圖 圖6 物性參數(shù)設(shè)置

3.5 求解器設(shè)置

FLUENT有四種耦合的方式：SIMPLE算法:默認(rèn)算法，非常穩(wěn)健，適合于大多數(shù)模型，如紊流。SIMPLEC算法:對于簡單問題，收斂比較快，比如層流。PISO算法：對于非穩(wěn)態(tài)流動和高扭曲度網(wǎng)格相當(dāng)適用[10]。FSM算法：對非穩(wěn)態(tài)問題和NITA合用，類似于PISO。本模型壓力速度耦合方式采用SIMPLEC算法。如圖7，且在General中設(shè)置Type為Pressure-Based，為壓力基耦合求解器。

圖7 求解器設(shè)置

3.6 初始化及收斂計(jì)算

FLUENT要求所有的求解變量有相關(guān)的初始值，一般在計(jì)算前需要進(jìn)行初始化處理，如圖8，在設(shè)置完成計(jì)算步數(shù)設(shè)置后，可選擇點(diǎn)擊Check Case項(xiàng)，發(fā)現(xiàn)常見錯(cuò)誤設(shè)置和不一致性，給予參數(shù)和模型的指導(dǎo)。

計(jì)算收斂性需要滿足的是所有的離散動量守恒，能量守恒方程和一些標(biāo)量要在所有的單元中滿足指定的誤差或者結(jié)果隨著計(jì)算不再改變。使用殘差歷史曲線來檢測收斂，一般情形下，殘差下降三個(gè)量級表示至少達(dá)到定性的收斂，流場的主要基本特征已經(jīng)形成了。并且壓力基求解器的能量殘差值要下降到10-6，組分殘差應(yīng)下降至10-5。檢測定量收斂，需要監(jiān)測一些關(guān)鍵物理量來保證全局的能量守恒，質(zhì)量守恒和組分守恒。

對于某種病態(tài)問題，質(zhì)量比較差些的網(wǎng)格或者不適合的求解設(shè)置，都會出現(xiàn)數(shù)值的不穩(wěn)定。這種表現(xiàn)就是殘差曲線的上升或者下降，發(fā)散就說明守恒方程的不平衡增加，沒有收斂的結(jié)果將會誤導(dǎo)操縱者。有些方法可以解決問題。確保問題有物理的合理性，對一階離散格式計(jì)算一個(gè)出場。對壓力基求解器，減少發(fā)散方程的松弛因子。圖9為對于由于網(wǎng)格質(zhì)量差引起的要加密網(wǎng)格。那如果流場仿真出來的結(jié)果看似不合理，則需要考慮物理模型或者邊界條件的設(shè)置，網(wǎng)格質(zhì)量差時(shí)有必要重新劃分，修改邊界條件和域的位置，不充分的邊界對結(jié)果精度影響比較大。

圖8 計(jì)算初始化 圖9 方案控制界面

4 仿真結(jié)果分析

4.1 速度場分析

圖10是第一組模擬計(jì)算所得的口模對稱面上的速度分布云圖。圖11是第二組機(jī)頭模型的速度分布圖。圖12是第三組機(jī)頭模型的速度分布圖。通過圖像，可以得到如下結(jié)論，熔體從歧管流出時(shí)的速度并不均勻，但是通過狹縫時(shí)候，由于狹縫的阻尼作用，熔體速度沿著橫向的分布逐漸就變均勻了。第三組比第二組在唇膜的流動更加均勻平緩，第二組又比第一組平緩。

圖10 對稱面上的速度分布云圖(第一組)

圖11 對稱面上的速度分布云圖(第二組)

圖12 對稱面上的速度分布云圖(第三組)

看得出來，隨著遠(yuǎn)離對稱面，歧管內(nèi)熔體的最大速度由歧管中心移到和狹縫的交界處，歧管中的最大流速也越來越小。

4.2 壓力場分析

圖13～15分別是三組方案口模的對稱面上的壓力分布。也可得到如下結(jié)論，歧管中的壓力沿著熔體流動的方向逐漸下降，狹縫中的熔u壓力依然有著相似的規(guī)律。歧管中壓力降低的比較小，但是在狹縫中壓力降低的卻很大。另外，狹縫中的等壓線基本平行于口模的出口，在口模封閉的末端附近也為發(fā)現(xiàn)壓力的突變?？梢钥闯龅谌M壓力分布過度的更平緩。

圖13 口模的對稱面上的壓力分布(第一組)

圖14 口模的對稱面上的壓力分布(第二組)

圖15 口模的對稱面上的壓力分布(第三組)

4.3 溫度場分析

圖16是溫度的對稱面上的壓力分布。也可得到如下結(jié)論，由于唇膜尺寸小的原因，擠出的不均性，溫度的分布也不均勻。越靠近機(jī)頭的右端物料擠出量越低，顯然溫度也比較低。三組方案的溫度場圖像差別不大，這里僅發(fā)布一組圖像。

4.4 優(yōu)選結(jié)果

根據(jù)FLUENT得到的仿真結(jié)果，可得到速度場分布，壓力場分布，溫度場分布圖像，通過三種方案得到

的圖像進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)第三組的機(jī)頭參數(shù)模型獲得的機(jī)頭擠出流動過程更加均勻平穩(wěn)，這也與通過式(1)計(jì)算得到的流動均勻指數(shù)UI計(jì)算結(jié)果相吻合。所以，本研究所要優(yōu)選的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)即為方案三的參數(shù)。

圖16 口模的對稱面上的溫度分布

5 結(jié) 語

(1) 在對本T型機(jī)頭中熔體流動現(xiàn)象進(jìn)行了有限元仿真分析，可以全面了解機(jī)頭內(nèi)熔體的流動過程，對機(jī)頭設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。

(2) 將仿真得到的機(jī)頭內(nèi)流場分布情況與已有的相關(guān)文獻(xiàn)中機(jī)頭內(nèi)流場分布進(jìn)行比對，證明了所建的機(jī)頭模型準(zhǔn)確性和合理性。

(3) 采用不同尺寸參數(shù)的機(jī)頭模型流場分析對比，可找到比較優(yōu)化的機(jī)頭模型尺寸，該過程的比對是合理的。

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