单螺杆挤出非等温三维流场的数值分析

吴小娟,朱建军,殷伟芬

(镇江高等专科学校 化学与材料工程学院,江苏 镇江 212003)

单螺杆挤出非等温三维流场的数值分析

吴小娟,朱建军,殷伟芬

(镇江高等专科学校 化学与材料工程学院,江苏 镇江 212003)

为详细了解螺旋挤压工艺对聚合物物料的性能产生的影响,在螺杆转速为10 rpm,进出口压差为2×107Pa工艺条件下,利用网格重叠技术,借助于Polyflow软件数值模拟单螺杆均化段挤压过程。分析流道内压强、速度、剪切速率、黏度、黏性生热和温度场的分布规律,为进一步优化工艺参数提供理论依据。

单螺杆挤出机;三维非等温流;Polyflow;网格重叠技术

旋挤压技术具有高效、节能、环保等优势,已经广泛应用于聚合物加工、食品、医药及军工生产等领域。改变螺压工艺参数会对产品性能产生较大的影响,对于一些敏感物料,超限的压力、温度会引起它们不必要的热分解,导致燃烧爆炸事故[1]。目前关于螺旋挤出过程的理论研究还局限于比较简单的等温模型,本文借助Ployflow软件模拟某聚合物代料在单螺杆计量段的三维非等温流场,探索流道内的压力、速度、剪切速率、黏度、黏性生热和温度的变化规律,为聚合物生产工艺的优化设计提供依据,同时可避免活性物料在挤压过程中不正常分解,降低事故风险。

1 物理模型

本文选用的双头单螺杆计量段几何参数如表1所示。为减轻计算机内存的计算负担,仅在一个导程长的螺纹块中进行模拟。

表1 单螺杆均化段设计尺寸

分别对螺杆和流道进行网格划分,形状复杂的螺杆域采用正四面体网格划分,形状规则的流体域采用六面体网格划分,将其组合,如图1所示,网格质量良好。模拟时采用的网格重叠技术(Mesh Superposition Technique)对有运动边界条件的模型有良好的适用效果,不必随边界的运动对网格进行重新划分[2]。

图1 螺杆、流道网格划分图

2 控制方程

在进行三维流场计算时,为了求解方便,通常作如下假设:

1) 流道内充满不可压缩的聚合物熔体。

2) 流道内流体为广义牛顿非等温流。

3) 由于聚合物熔体的高黏性,惯性力和质量力相对于黏性力很小,可忽略不计[3]。

基于以上假设,可以用一组微分方程描述流场的基本状态[4]。

连续性方程

·u=0,

(1)

运动方程

(2)

能量方程

(3)

本构方程

(4)

(5)

式(5)中,η0为零剪切黏度(Pa·s-1),λc为Bird-Carreau模型参数,n为非牛顿指数,T0为参考温度(K),b为黏度的温度修正系数。

数值分析中采用的物料性质参数分别为

T0=333 K,

λc=4.48 s,

n=0.38,

η0=2.5×107Pa·s,

b=2。

3 边界条件

1) 运动边界条件。螺杆转速为10 rpm,假设流道无滑移,外边界与机筒接触速度为0,内边界与螺杆表面速度相等,入口质量流量为0.01 kg·s-1,进出口压差为2×107Pa。

2) 热边界条件。螺杆计量段物料初始温度为60 ℃,螺杆壁保持80 ℃,机筒内壁保持70 ℃,均化段熔体的温度分布主要由黏性生热和热传导决定。

4 结果分析

利用上文所述的边界条件,对控制方程进行求解,能量方程与运动方程通过黏度相互耦合。控制方程具有强烈的非线性,不能得到其解析解[6]。利用基于有限元方法的流体动力学分析软件Polyflow可以得到该螺杆计量段流场区域各截面的压应力、速度、剪切速率、黏度、黏性生热和温度场的数值解。

在流场内,沿z轴方向取纵截面,分析物料在螺棱附近流场分布。并在此截面上(x=0.051 m处)取一条沿z轴的直线,分析各参量沿此直线分布情况。

4.1压力

纵截面上的压力分布云图如图1所示,物料在螺棱推进侧压力较高,在拖曳侧压力较小。因为在螺杆的旋转作用下,螺棱推进侧对物料产生强烈挤压,从而使得压力达到峰值,在敏感物料生产过程中需要注意压力快速变化带来的危害。该平面x=0.051 m处压力分布如图2所示。

图1 y=0截面压力云图

图2 沿z轴压力曲线图

4.2速度

纵截面上的速率分布云图如图3所示,内层物料(靠近螺齿处)运动速度较高,外层物料(靠近套筒壁面)运动速度较低,这与施加的边界条件吻合。该平面x=0.051 m处速度分布如图4所示,速度在两个螺棱处达到峰值,且第2个峰值高于第1个峰值。分析原因可知,物料是不可压缩流体,根据质量守恒定律,在流道逐渐变窄情况下,线速度会逐渐递增。

图3 y=0截面速度云图

图4 沿z轴速度曲线图

4.3剪切速率

纵截面上的剪切速率分布云图如图5所示,内层物料(靠近螺齿处)所受剪切速率较高,外层物料(靠近套筒处)所受剪切速率较低。螺杆运动过程中对物料产生剪切作用,螺棱处较高的速度产生较大的剪切速率,同理,在螺棱处剪切应力也会达到峰值,该平面x=0.051 m处剪切速率分布如图6所示。

图5 y=0截面剪切速率云图

图6 沿z轴剪切速率曲线图

4.4黏度

前文分析可知,内层物料(靠近螺齿处)所受剪切速率较高,基于假塑性流体理论,黏度随着剪切速率的增加而减小,所以在螺齿处黏度达到最小值,如图7所示。在螺棱处及其附近,物料因凸起的螺棱传热升至较高的温度,根据近似Arrhenius公式可知,此处黏度会因温度的影响而进一步降低,该平面x=0.051 m处黏度分布如图8所示。

图7 y=0截面黏度云图

图8 沿z轴黏度曲线图

4.5黏性生热

纵截面上的黏性生热分布云图如图9所示,黏性生热云图与速度云图变化规律类似,在螺棱处及其周围达到黏性生热峰值;在同一段螺槽内,螺棱处的黏性生热量也高于螺槽部分。物料在螺棱处受较大的剪切应力作用,螺棱顶端处剪切速率高,高分子物料受到剪切力和摩擦力的共同作用,分子链断裂和重排加剧,引起分子的剧烈运动,从而导致黏性生热量增多[7]。该平面x=0.051 m处黏性生热分布如图10所示。

图9 y=0截面黏性生热云图

图10 沿z轴黏性生热曲线图

4.6温度

纵截面上的温度分布云图如图11所示。引起物料温度变化的因素众多,通常是螺杆和套筒传热、物料之间的对流传热及黏性生热共同作用的结果。模拟结果中虽未看到温度规律性的分布,但物料温度相对于入口处有明显的提升,如图12所示。在进行活性聚合物物料加工时,高温可能促进活性物料的快速分解,释放出大量气体及热量,引发火灾或爆炸事故。

图11 y=0截面温度云图

图12 沿z轴温度曲线图

5 结论

本文通过Polyflow软件对高分子物料螺压工艺均化段流场进行模拟分析,得到如下结论:

1) 因螺棱的挤压作用,压应力在推进侧会迅速提升,然后随着物料前进逐步降低。

2) 螺棱速度、剪切速率和黏性生热有类似的分布规律,在螺棱附近达到最大值,靠近套筒壁面处达到最小值。

3) 由于螺棱附近区域剪切速率高,物料黏度变小。

4) 因螺杆加热及黏性生热等因素作用,物料会有明显的温升,易诱发活性物料快速分解,引起火灾或爆炸事故。

[1] 卢栓仓. 螺压推进剂成型工艺过程安全性分析[J].化学推进剂与高分子材料，2013, 11(6):73-80.

[2] BERTRAND F, TANGUY P A, THIBAULT F. A three-dimensional fictitious domain method for incompressible fluid flow problems [J]. Int Num Meth Fluids,1997(25): 719-736.

[3] 贾明印, 薛平,朱复华.新型螺杆挤出机熔体输送理论的研究[J].中国塑料,2006,20(3):103-107.

[4] 章梓雄.粘性流体力学[M].北京:清华大学出版社,2011:9-28.

[5] 胡冬冬.组合式双螺杆挤出机中三维等温流动的数值研究[J].北京理工大学学报,2006,26(3):201-205.

[6] 谢晓宏.直圆锥形衣架机头非等温三维流场的数值模拟[J].橡塑技术与装备,2005,31(6):6-10.

[7] 殷书盼.推进剂代料单螺杆压伸过程的数值分析研究[D].南京:南京理工大学,2013:35-40.

〔责任编辑： 卢 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

吴小娟(1982—),女,江苏大丰人,讲师,主要从事安全生产技术和工程力学研究;朱建军(1969—),男,江苏海安人,教授,主要从事工业安全技术与管理研究。

TQ320.66

： B

：1008-8148(2015)04-0048-04