阮偉豪,武 凱

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

在水產(chǎn)飼料加工領(lǐng)域,擠壓膨化是飼料顆粒較為普遍的生產(chǎn)方式[1]。在螺桿擠出過(guò)程中,生產(chǎn)的工藝參數(shù)和擠出的模具結(jié)構(gòu)會(huì)直接影響到擠出產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)的效率。利用計(jì)算機(jī)流體力學(xué)軟件對(duì)螺桿擠出過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真,可以得到擠出過(guò)程的多項(xiàng)物理參數(shù),進(jìn)而分析對(duì)比不同工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)對(duì)擠出產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率的影響。在此方面,陳晉南等[2]研發(fā)了雙螺桿擠出平行4孔模具,數(shù)值研究了模具壓差對(duì)高黏度聚合物在雙螺桿擠出平行4孔模具流道內(nèi)熔體流場(chǎng)的影響;秦貞明等[3]數(shù)值研究了異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)模具過(guò)渡和穩(wěn)流段的等溫流場(chǎng);時(shí)俊峰等[4]數(shù)值研究了不同工藝參數(shù)對(duì)雙螺桿擠出機(jī)機(jī)頭過(guò)渡體內(nèi)物料流場(chǎng)的影響;郎珊珊[5]研究了雙螺桿擠出機(jī)模具不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)擠壓組織化花生蛋白質(zhì)組織化度的影響;Adekola[6]研究了雙螺桿擠出機(jī)模具長(zhǎng)度和?？字睆綄?duì)擠出機(jī)內(nèi)物料熔體流動(dòng)特性的影響;梁軍杰等[7]數(shù)值研究了一種雙腔式鋰電池涂布擠壓模頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)漿料在擠壓模頭出口速度分布均勻性的影響。

在生產(chǎn)水產(chǎn)膨化飼料時(shí),常規(guī)的螺桿擠出模具的模孔直徑一般在1～20 mm,而面向魚(yú)苗和其他小型水產(chǎn)生物的膨化飼料粒徑為0.5～1.5 mm[8],生產(chǎn)此類小粒徑膨化顆粒的模具?？字睆叫∮?.5 mm。相對(duì)于常規(guī)粒徑膨化顆粒,小粒徑膨化顆粒對(duì)物料的均勻性和螺桿擠壓膨化機(jī)的擠出性能有更高的要求?，F(xiàn)有研究主要集中在螺紋幾何結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)對(duì)擠出過(guò)程和擠出品質(zhì)的影響[9]等方面,以增強(qiáng)螺桿的建壓能力和在擠壓過(guò)程中對(duì)物料的混合性能,在模具結(jié)構(gòu)和物料在模具內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)對(duì)擠出性能、顆粒質(zhì)量的影響方面研究較少[10]。本研究使用計(jì)算流體力學(xué)軟件POLYFLOW對(duì)?？字睆綖?.4 mm的模具內(nèi)的熔體流場(chǎng)進(jìn)行了模擬,分析模前壓力、模孔過(guò)渡段錐孔角度對(duì)模具內(nèi)物料熔體各項(xiàng)物理量的影響,為小直徑?？椎哪＞邇?yōu)化和小粒徑膨化顆粒生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

本研究的幾何模型總長(zhǎng)度為92.5 mm,包括螺桿擠出末端擴(kuò)流區(qū)、擠出模具兩部分,如圖1所示。模型的坐標(biāo)原點(diǎn)建立在螺桿擠出末端擴(kuò)流腔體入口面的中心,沿z軸正方向?yàn)槲锪先垠w擠出方向。為確保物料熔體能夠順利擠出,擠出模孔設(shè)計(jì)為階梯式圓柱結(jié)構(gòu),過(guò)渡段采用錐孔連接。?？兹肟谥睆綖? mm,出口直徑為0.4 mm,模孔總長(zhǎng)度為5 mm,錐孔角度分別設(shè)置為15°、20°、25°、30°。

圖1 幾何模型

在實(shí)際仿真中,為減小計(jì)算所需資源量,根據(jù)該幾何模型的對(duì)稱性,選取完整模型的1/4作為計(jì)算區(qū)域進(jìn)行模擬[11]。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),對(duì)雙螺桿擠出機(jī)末端擴(kuò)流區(qū)腔體采用較大尺寸的四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對(duì)?？撞捎幂^小尺寸的四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖2所示,單個(gè)?？拙W(wǎng)格數(shù)量最高為2 454個(gè),網(wǎng)格總體數(shù)量最高為142 144個(gè)。

圖2 1/4的幾何模型和網(wǎng)格劃分

2 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

基于螺桿擠出過(guò)程熔體流動(dòng)狀態(tài)和模擬需求,假設(shè):(1)物料熔體為冪律流體;(2)物料熔體為不可壓縮流體,且完全充滿流道;(3)流場(chǎng)為等溫穩(wěn)態(tài)流場(chǎng);(4)由于流體雷諾數(shù)較小,流動(dòng)為層流運(yùn)動(dòng);(5)由于物料熔體的慣性力、重力遠(yuǎn)小于黏性力,慣性力、重力等體積力忽略不計(jì);(6)流道壁面無(wú)滑移。

基于上述假設(shè),流場(chǎng)的連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程和本構(gòu)方程[12]為:

?·u=0

(1)

-?pI+?·τ=0

(2)

(3)

D=(?u+?uT)/2

(4)

(5)

物料選為玉米粉[13],在玉米粉含水率為28%、溫度為150℃時(shí),物料的稠度系數(shù)K為8 000 Pa·sn,冪律指數(shù)n為0.4,密度ρ為1 200 kg/m3。

模擬計(jì)算時(shí),給定邊界條件:給定入口壓力分別為5、10、15 MPa[14];給定出口壓力為0.1 MPa;模型左右壁面為對(duì)稱面,其他壁面無(wú)滑移。

3 結(jié)果與分析

3.1 模前壓力對(duì)物料熔體各物理量的影響

沿z軸每隔0.25 mm取?？椎臋M截面,計(jì)算物料熔體速度、壓力、剪切速率、剪切應(yīng)力、黏度等物理量在每個(gè)橫截面上的平均值,以分析不同模前壓力下物料熔體各物理量平均值沿軸向的變化。物料熔體各物理量的平均值定義為:

(6)

式中,x為各物理量。

圖3(a)～(e)分別給出不同模前壓力下物料熔體在過(guò)渡段錐孔角度為30°?？變?nèi)的各物理量的平均值沿z軸的變化。從圖中可以看出,隨物料熔體在進(jìn)入擠出模具前所受壓力增大,物料熔體在模具內(nèi)的平均速度、平均壓力、平均剪切速率、平均剪切應(yīng)力增加,平均黏度減小,且在15 MPa的模前壓力下流場(chǎng)變化最為明顯。由圖3(a)可知,在5、10、15 MPa的模前壓力下,物料熔體在出口處的速度分別為2.27、13.12、36.42 m/s,速度相差近16倍,表明物料熔體在模具內(nèi)流速受模前壓力影響較大。同時(shí),物料熔體在?？壮隹谔幍乃俣仍谝欢ǔ潭壬洗頂D出機(jī)的擠出效率,即增加模前壓力能在一定程度上提高螺桿擠出的擠出性能和產(chǎn)量。

圖4給出物料熔體在15 MPa的模前壓力下沿yz截面的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、剪切速率場(chǎng)、剪切應(yīng)力場(chǎng)。如圖4(b)所示,物料熔體在?？變?nèi)所受壓力沿z軸方向逐漸降低。在不同的模前壓力下,物料熔體在模孔入口平直段和出口平直段的變化速率均相對(duì)穩(wěn)定;在?？走^(guò)渡段,隨模前壓力的增加,物料熔體所受的壓力出現(xiàn)小幅度的增長(zhǎng)。在過(guò)渡段的壓力增長(zhǎng)使得物料熔體極易在錐孔內(nèi)產(chǎn)生回流現(xiàn)象,導(dǎo)致顆粒匯集成較大的顆粒團(tuán),從而堵塞模孔。

圖4 15 MPa模前壓力下yoz截面熔體的流場(chǎng)

結(jié)合圖3和圖4分析,在沿z軸方向上,不同模前壓力下物料熔體的速度、剪切速率、剪切應(yīng)力的總體變化趨勢(shì)近似。在?？兹肟谄街倍?物料熔體的平均速度、平均剪切速率、平均剪切應(yīng)力相對(duì)穩(wěn)定,呈現(xiàn)小幅度的增長(zhǎng)趨勢(shì);在?？走^(guò)渡段,物料熔體的速度、剪切速率、剪切應(yīng)力隨模孔直徑由1 mm縮小至0.4 mm而發(fā)生急劇性的變化:相對(duì)于?？兹肟谄街倍?物料熔體的速度增加了約1.3倍,剪切速率增加了約8.2倍;在?？壮隹谄街倍?物料熔體受到的壓降作用增強(qiáng),其速度呈現(xiàn)較大增長(zhǎng)趨勢(shì),剪切速率與剪切應(yīng)力的變化趨勢(shì)減緩并趨于穩(wěn)定。相對(duì)于入口平直段和過(guò)渡段,物料熔體在出口平直段受到剪切作用較強(qiáng),有助于破碎由于模孔孔徑減小而匯集的物料顆粒,使物料顆粒在單位體積內(nèi)更加均勻,在一定程度上緩解由于模前壓力增加而形成的物料顆粒團(tuán),同時(shí)較高的剪切作用會(huì)增強(qiáng)物料熔體擠出模具后的脹大效應(yīng),使物料獲得更高的膨化效果。

3.2 過(guò)渡段錐孔角度對(duì)熔體各物理量的影響

針對(duì)?？走^(guò)渡段對(duì)物料熔體的影響,數(shù)值模擬不同過(guò)渡段錐孔角度下物料熔體在?？變?nèi)的流場(chǎng)。為深入分析流場(chǎng)變化,在幾何模型yz截面上取模孔的中心軸線a-a,如圖1所示。圖5(a)～(d)給出15 MPa模前壓力下物料熔體各物理量在不同過(guò)渡段錐孔角度的?？變?nèi)沿中心軸線a-a的變化。從圖中可以看出,過(guò)渡段錐孔角度的變化對(duì)各物理量沿?？字行妮S線a-a的影響主要集中在?？走^(guò)渡段和出口平直段。

圖5 不同過(guò)渡段錐角下熔體各物理量沿?？字行妮S線a-a的變化

如圖5(a)和(b)所示,在?？走^(guò)渡段,物料熔體速度和壓力沿?？字行妮S線a-a的變化趨勢(shì)隨錐孔角度減小而減緩。這是由于,隨錐孔角度減小,物料熔體因?？字睆綔p小而產(chǎn)生的壓增逐漸小于其沿軸線的壓降,物料熔體在過(guò)渡段產(chǎn)生的壓力增長(zhǎng)得到緩解,由于壓力變化產(chǎn)生的速度波動(dòng)也隨錐孔角度減小而消失。在出口平直段,物料熔體速度和壓力沿?？字行妮S線a-a的分布與圖3所示的平均速度、平均壓力沿z軸的變化近似,且隨錐孔角度減小,物料熔體的速度在?？壮隹谔幍乃俣扔忻黠@降低,在一定程度上會(huì)影響螺桿擠出機(jī)的擠出效率。

如圖5(c)和(d)所示,物料熔體的剪切速率、剪切應(yīng)力在不同錐孔角度下沿?？字行妮S線a-a的變化趨勢(shì)基本吻合。隨錐孔角度減小,剪切速率、剪切應(yīng)力總體的變化趨勢(shì)減緩,在過(guò)渡段與出口平直段的波動(dòng)近似、差值較小,表明錐孔角度的變化對(duì)物料熔體在?？變?nèi)所受剪切作用的影響較小,對(duì)顆粒的膨化效果影響近似。

4 結(jié)論

本研究利用POLYFLOW軟件分別數(shù)值模擬了不同模前壓力、不同模孔過(guò)渡段錐孔角度下物料熔體在0.4 mm?？變?nèi)的等溫流場(chǎng),分析物料熔體在流道內(nèi)的速度、壓力、剪切速率、剪切應(yīng)力的變化規(guī)律,比較不同模前壓力和不同過(guò)渡段錐孔角度對(duì)小直徑模孔擠出的穩(wěn)定性、均勻性的影響。

研究結(jié)果表明,物料熔體在小直徑模孔內(nèi)的流場(chǎng)分布與較大?？變?nèi)的不同,其流動(dòng)狀態(tài)受模前壓力影響較大、受過(guò)渡段錐角影響較小。在整個(gè)?？變?nèi),物料熔體的壓力沿z軸呈線性降低,熔體速度和所受剪切作用受壓力變化較為明顯,特別是在過(guò)渡段各物理量出現(xiàn)顯著增長(zhǎng);隨模前壓力增加,?？變?nèi)物料熔體的各物理量都有較大的提升,但同時(shí)會(huì)增大物理量在整個(gè)?？變?nèi)的變化梯度;隨錐孔角度減小,各物理量在過(guò)渡段的變化趨勢(shì)減緩,但速度、剪切速率等在出口平直段有所降低。

在小粒徑膨化顆粒生產(chǎn)中,增加模前壓力可以提高擠出效率和產(chǎn)量,但會(huì)影響顆粒均勻性和擠出顆粒的質(zhì)量,且容易導(dǎo)致?？锥氯?采用較小錐孔角度的模板可以提高擠出的均勻性,有利于物料的平穩(wěn)擠出,但會(huì)影響產(chǎn)量。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,需要根據(jù)物料與產(chǎn)品的實(shí)際特性,平衡多種生產(chǎn)因素,以獲得最佳的擠出效果和顆粒質(zhì)量。