带有开槽中性捏合块和反向螺纹双螺杆挤出机的三维流场分析

2020-04-06郭树国王丽艳汤霖森韩彦林

沈阳化工大学学报 2020年4期

郭树国，于淼，王丽艳，汤霖森，韩彦林

(沈阳化工大学机械与动力工程学院，辽宁沈阳 110142)

豆粕是大豆加工后所获得的一种副产品，含有大量的植物蛋白，是饲料加工行业的主要原料之一.目前,常用的豆粕加工技术为挤压膨化技术，而挤压膨化技术主要通过螺杆挤出机得以实现[1].近年来，常用的螺杆挤出机为双螺杆挤出机.同时，双螺杆挤出机被应用于众多领域，如：制药、陶瓷、化工、机械制造、电子加工等领域[2-5].但是，随着饲料行业的发展,对产品质量的要求不断提高，普通双螺杆挤出机的混合性能已经不能满足企业对产品质量的要求.因此,需要在普通螺杆上加入剪切混合元件.开槽中性捏合块和反向螺纹具有较强的剪切能力和良好的混合性能[6-7].为了增强混合分布性能，获得更好的混合效果，本文在普通双螺杆的基础上添加了开槽中性捏合块和反向螺纹.因此，本文以带有开槽中性捏合块和反向螺纹的啮合同向双螺杆元件作为实验对象，以黏性流体力学作为理论基础，以ANSYS作为分析平台，对组合双螺杆的流场进行数值模拟[8-10]，得到其宏观压力场、宏观速度场以及捏合盘、反向螺纹区域的特性，并与普通双螺杆进行对比，为组合双螺杆挤出机的优化设计提供了一定的理论基础.

1 流场分析的理论模型及参数

1.1 三维模型

利用Solidworks软件建立组合双螺杆元件的三维模型，三维模型的各部分参数如下：(1)常规螺纹元件长度为50 mm，螺杆外径为 50 mm，根径为30 mm，螺距为20 mm；(2)开槽中性啮合块厚度为5 mm，外圆直径为50 mm，个数为 10个，相邻两个捏合盘之间的转动角度为90°,且相邻两个捏合盘之间用直径为30 mm、长度为1 mm的圆柱元件进行连接，此段的总长度为59 mm；(3)反向螺纹元件，除方向外其余参数与常规螺纹元件相同；(4)常规螺纹元件，其参数与第一段常规螺纹元件相同；(5)两螺杆的中心距为44 mm;(6)机筒的厚度为2 mm，其与螺杆的距离为2 mm.图1为组合双螺杆的三维模型，图2为开槽中性捏合块的三维模型.

图1 组合双螺杆的几何模型Fig.1 Geometric model of combined twin screw

图2 开槽中性捏合块的几何模型Fig.2 Geometric model of slotted neutral kneading block

在workbench Geometry中对机筒进行填充，将获得的实体与双螺杆进行布尔操作，得到流道模型.将得到的模型导入mesh中进行四面体网格划分.划分完成后的组合双螺杆流道有限元模型如图3所示，其中包含133 821个节点，603 059元素.

图3 组合双螺杆流道有限元模型Fig.3 Finite element model of combined twin screw runner

1.2 工况条件假设

采用豆粕作为实验物料，豆粕为幂律流体中的膨胀流体，主要参数为：密度2 112 kg/m3，黏度1 930 Pa·s，恒定温度80 ℃[11].为了方便对流场进行模拟，根据相关理论条件对流场进行以下假设：流体不可压缩且完全充满流道，流场为等温层流状态，机筒内壁与螺杆表面均无滑移[12].

1.3 边界条件

根据挤出机的实际工作条件及边界无滑移的假设给出边界条件：

(1)进口速度为0.05 m/s，出口压力为0.5 MPa；

(2)螺杆的转速为120 r/min；

(3)螺杆与机筒表面均无滑移且机筒速度设置为0.

根据上述假设工况条件，忽略惯性力、重力等体积力，其黏性流体的连续方程为[13]

(1)

式中：V速度矢量，m/s；Vx、Vy、Vz分别是x、y、z轴上的速度分量，m/s.

根据牛顿第二定律得到运动方程为：

(2)

式中：p静压力，Pa；τij直角坐标系下剪切应力分量，其中i、j分别为x、y、z.

本构方程为

(3)

式中：γ为剪切速率，s-1；m为物料的黏度，Pa·s；n幂律指数.

将式(1)、(2)、(3)进行联立，得到流域的压力场和速度场.

2 模拟计算及分析

2.1 宏观压力场的分析

宏观压力场作为流体分析的重要指标之一，能够充分地反映螺杆的建压性能以及物料的挤出速度.图4为流场的宏观压力图，其中图4(a)为普通双螺杆流场的宏观压力图，图4(b)为组合双螺杆流场的宏观压力图.图中左侧为进料口，右侧为出料口.从图4中可以看出：无论是普通双螺杆还是组合双螺杆，其压力都沿着物料的挤出方向逐渐增大，并在出料口达到最大.

图4 流道宏观压力场Fig.4 Macro pressure field of flow passage

通过比较可以发现，普通双螺杆的建压呈现一定的规则性，各段压力变化区域大小相近且边界整齐，几乎没有回流产生.而组合双螺杆由于开槽中性捏合块和反向螺纹的存在,使得压力变化区域大小不同且边界出现波动，使得物料在流道内产生回流.同时，与普通双螺杆相比，组合螺杆的建压能力差，建压分散，流速较低，从而提高了混合分布性能.

为了更好地观察流道轴向压力的分布，取Z=0的XY平面.图5(a)为普通双螺杆的流道轴向压力分布，图5(b)为组合双螺杆的流道轴向压力分布.通过观察发现:开槽中性捏合块与普通螺纹相比，开槽中性捏合块两端的压差较小，建压能力较弱，增加了豆粕在这一区域的停留时间;同时组合螺杆中由于反向螺纹的存在，在挤出机中产生背压区域，阻碍了豆粕的输送，使其回流量增多，增加了分散混合的时间，提高了混合的质量.

图5 螺杆流道压力轴向分布Fig.5 Axial pressure distribution of screw passage

2.2 宏观速度场的分析

流体分析的另一重要指标为流体流线，它能够反映出流体的流动轨迹以及流体的分布.图6(a)为普通螺杆的速度流线图，图6(b)为组合螺杆的速度流线图.从图6中可以看出:物料在经过普通双螺杆时，其速度流线是连续无间断的且各流线之间无干扰现象，从而使物料不能充分混合，不利于产品质量的提高;而物料在经过组合螺杆时，开槽中性捏合块对流线产生干扰，受到较大的剪切力，使流线中断，打破了层流状态，同时流速骤然降低.与前两段区域相比，反向螺纹产生反方向的剪切力，改变了在这一区域物料的流动方向，使得物料在挤出机中的停留时间增长，提高了分散混合性能，使其进行充分的混合.

图6 流道的速度流线图Fig.6 Velocity streamline of flow passage

为了更好地观察豆粕在开槽中性捏合块中的流动情况，将组合双螺杆的开槽中性捏合块的的速度矢量图局部放大,如图7所示.可以明显地看到此处豆粕流动杂乱无章，且一些箭头指向与挤出方向相反，有回流产生，使得豆粕反复挤压，获得较高的混合质量.

图7 开槽中性捏合块速度矢量图的局部放大Fig.7 Local enlarged velocity vector of slotted neutral kneading block

为了更好地比较普通螺纹与捏合块的混合能力，此处分别截取了Y=120 mm(捏合块区域)与Y=190 mm(普通螺纹区域)截面处的速度分布，如图8所示.从图8中可以看出:普通螺杆处的最大速度为1.9 m/s，而捏合块区域最大的速度为1.2 m/s.因此,得出捏合块区域的速度小于普通螺纹区域，增加了豆粕在此区域的停留时间.同时，捏合块区域的速度变化剧烈，产生的剪切力较大.因此，与普通螺纹相比，捏合块的分散混合能力更强.