郭少龍，董奇，畢超，劉倩楠

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.中國(guó)寰球工程公司，北京 100012)

往復(fù)式單螺桿擠出機(jī)混煉性能的數(shù)值模擬研究

Numerical Simulation of mixing performance for reciprocating single screw extruder

郭少龍1，董奇2，畢超1，劉倩楠1

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.中國(guó)寰球工程公司，北京 100012)

通過(guò)采用帶有周期性邊界的二維模型，研究了Buss機(jī)流場(chǎng)內(nèi)的流動(dòng)特性，并分析了工藝參數(shù)對(duì)Buss機(jī)混煉元件分散混合性能的影響，以及幾何參數(shù)對(duì)混煉元件幾何構(gòu)型的影響，并借用粒徑變化和最大拉伸長(zhǎng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，揭示了幾何參數(shù)對(duì)Buss機(jī)混煉元件分散混合性能的影響。

擠出機(jī)；單螺桿；混煉；數(shù)據(jù)模擬

往復(fù)式單螺桿銷釘擠出機(jī)作為一種特殊的混煉裝備，在聚合物加工領(lǐng)域中受到越來(lái)越多的重視。自從1945年，往復(fù)式單螺桿銷釘擠出機(jī)問(wèn)世以來(lái)，其技術(shù)一直被德國(guó)Buss公司和美國(guó)B&P公司壟斷。我國(guó)的江陰、煙臺(tái)、南京等地的一些公司近些年也開(kāi)始涉足這類裝備。北京化工大學(xué)從21世紀(jì)初先后研發(fā)了WXJ45、WXJ140兩款往復(fù)式單螺桿銷釘擠出機(jī)，并在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)始了這類裝備的混煉機(jī)理和設(shè)計(jì)原理方面的研究，但是目前缺少對(duì)該類設(shè)備分散混合性能的系統(tǒng)研究。國(guó)內(nèi)對(duì)往復(fù)式單螺桿銷釘擠出機(jī)的創(chuàng)新也處于剛開(kāi)始階段，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的往復(fù)式單螺桿銷釘擠出機(jī)在加工性能方面與德國(guó)Buss公司、美國(guó)B&P公司存在很大差距。

1 數(shù)值模擬模型的確定

1.1 幾何模型、網(wǎng)格劃分及流場(chǎng)邊界條件

二維螺棱采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格總數(shù)為3 064，如圖1所示。二維流場(chǎng)采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，總網(wǎng)格數(shù)為5 248，如圖2所示。

圖1 二維螺棱模型及網(wǎng)格劃分

圖2 二維流場(chǎng)模型、網(wǎng)格劃分及流場(chǎng)邊界條件

1.2 基本假設(shè)

（1）壁面無(wú)滑移；

（2）忽略重力和慣性力的影響；

（3）物料在流場(chǎng)內(nèi)的流動(dòng)為黏性、定常、全展的二維流動(dòng)；

（4）物料在流動(dòng)過(guò)程中與外界沒(méi)有熱交換。

2 結(jié)果與分析

2.1 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)混煉元件分散混合性能的影響

圖3為不同螺桿轉(zhuǎn)速下流場(chǎng)內(nèi)剪切應(yīng)力的分布。為了更好的比較不同轉(zhuǎn)速下流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)剪切應(yīng)力的分布情況，把不同轉(zhuǎn)速下剪切應(yīng)力調(diào)色表的最大值分別從0.39 MPa、0.75 MPa和1.04 MPa降為0.39 MPa，這樣可以通過(guò)各顏色所占面積的大小來(lái)評(píng)價(jià)流場(chǎng)內(nèi)剪切應(yīng)力的分布。

從圖3可得，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)高剪切應(yīng)力所占的比例上升，高剪切應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在銷釘與螺棱之間的間隙，區(qū)域內(nèi)剪切應(yīng)力的最大值隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加而增大。高剪切應(yīng)力區(qū)的面積越大，物料經(jīng)歷高剪切應(yīng)力區(qū)域的概率越大，并且轉(zhuǎn)速越高，單位時(shí)間內(nèi)螺棱和銷釘?shù)南嗷プ饔么螖?shù)增加，產(chǎn)生高剪切應(yīng)力區(qū)域的次數(shù)增加，同樣有利于物料經(jīng)歷高剪切應(yīng)力區(qū)域。利用物料在流場(chǎng)內(nèi)經(jīng)歷的最大剪切應(yīng)力來(lái)驗(yàn)證物料經(jīng)歷高剪切應(yīng)力區(qū)的概率。在流場(chǎng)的出口統(tǒng)計(jì)加工過(guò)程中物料經(jīng)歷的最大剪切應(yīng)力，不同轉(zhuǎn)速下物料經(jīng)歷最大剪切應(yīng)力的概率密度分布如圖4所示。

圖3 流場(chǎng)內(nèi)剪切應(yīng)力的分布

圖4 加工過(guò)程中物料經(jīng)歷最大剪切應(yīng)力的概率密度分布

隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，最大剪切應(yīng)力的分布曲線向右移動(dòng)，曲線的峰值隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低，同時(shí)曲線分布隨著轉(zhuǎn)速的增加而變寬，說(shuō)明隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，物料經(jīng)歷的最大剪切應(yīng)力增加。高剪切應(yīng)力區(qū)的面積增加，物料經(jīng)歷高剪切應(yīng)力區(qū)域的概率增加。

初始時(shí)刻，在距離流場(chǎng)入口5 mm處放置粒徑處于280～300 μm正態(tài)分布的N234炭黑，在出口處統(tǒng)計(jì)加工過(guò)后最終的粒徑分布。圖5給出了物料加工后粒徑的概率密度分布。從圖5可以看出，粒徑概率密度曲線的峰值隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加向左移動(dòng)并且峰值對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)增加，同時(shí)曲線隨著轉(zhuǎn)速的增加分布變窄，曲線左端的小粒徑的數(shù)量隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。說(shuō)明加工后物料的粒徑隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小，螺桿轉(zhuǎn)速的增加有利于少組分粒徑的減小。剪切應(yīng)力是影響少組分粒徑的主要因素，由上述分析可知，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，流場(chǎng)內(nèi)的剪切應(yīng)力水平提高。同時(shí)示蹤粒子炭黑的最終粒徑也隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加而減小，說(shuō)明螺桿轉(zhuǎn)速的增加有利于提高混煉元件的分散混合性能。

圖5 不同螺桿轉(zhuǎn)速下炭黑團(tuán)聚體的粒徑分布

2.2 喂料速率對(duì)混煉元件分散混合性能的影響

圖6為不同喂料速率下，流場(chǎng)內(nèi)剪切應(yīng)力的分布情況。為了更好的比較不同喂料速率下流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)剪切應(yīng)力的分布情況，把不同喂料速率下，剪切應(yīng)力調(diào)色表的最大值分別從0.369 5 MPa、0.369 1 MPa和0.368 7 MPa降為0.368 7 MPa，可以通過(guò)各顏色所占面積的大小來(lái)評(píng)價(jià)流場(chǎng)內(nèi)剪切應(yīng)力的分布。從圖中可以看出，不同喂料速率下，流場(chǎng)內(nèi)的剪切應(yīng)力分布基本一致。從圖中可以看出，高剪切應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在銷釘與螺棱之間的間隙。用物料在流場(chǎng)內(nèi)經(jīng)歷的最大剪切速率來(lái)驗(yàn)證物料經(jīng)歷高剪切應(yīng)力區(qū)的概率。在流場(chǎng)的出口統(tǒng)計(jì)加工過(guò)程中物料經(jīng)歷的最大剪切應(yīng)力。不同喂料速率下，物料經(jīng)歷最大剪切應(yīng)力的平均值見(jiàn)表1。從平均值可以看出，隨著喂料速率的增加，物料經(jīng)歷的最大剪切應(yīng)力變小，說(shuō)明物料經(jīng)歷高剪切區(qū)的概率減小。主要因?yàn)槲沽纤俾试黾樱锪显诹鲌?chǎng)內(nèi)的停留時(shí)間變短（見(jiàn)表1），經(jīng)歷高剪切區(qū)的概率就會(huì)變小。

圖6 流場(chǎng)內(nèi)剪切應(yīng)力的分布

表1 加工過(guò)程中炭黑經(jīng)歷各參數(shù)的平均值

圖7 不同喂料速率下炭黑團(tuán)聚體的粒徑分布

圖7給出了物料加工后粒徑的概率密度分布。從圖7可以看出，粒徑概率密度曲線的峰值隨著喂料速率的增加向右移動(dòng)并且峰值對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)增加，同時(shí)曲線隨著喂料速率的增加分布變窄，曲線左端的小粒徑的數(shù)量隨著喂料速率的增加而減小。說(shuō)明加工后物料的粒徑隨著喂料速率的增加而變大，平均粒徑如表1所示，喂料速率的增加不利于物料的分散混合。

加工過(guò)程中，物料經(jīng)歷的最大剪切應(yīng)力越大，物料最終的粒徑越小。從表1可以看出，隨著喂料速率的增加，物料經(jīng)歷的最大剪切應(yīng)力的平均值在減小，也就是說(shuō)物料經(jīng)歷的最大剪切應(yīng)力的水平在降低，不利于物料粒徑的減小，混煉元件的分散混合能力降低。

3 結(jié)論

本文通過(guò)使用帶有周期性邊界的二維模型，分析了Buss機(jī)混煉元件（KE元件）內(nèi)流體的流動(dòng)特性，并研究了工藝參數(shù)和幾何參數(shù)對(duì)混煉元件分散混合性能的影響，可以得到以下結(jié)論：

（1）在混煉元件內(nèi)存在分流和匯流現(xiàn)象，分流和匯流有利于物料的拉伸流動(dòng)。流場(chǎng)內(nèi)的最大剪切應(yīng)力分布在螺棱和銷釘?shù)淖钚￠g隙處，流場(chǎng)內(nèi)的平均剪切應(yīng)力隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)呈現(xiàn)周期性變化。

（2）螺桿轉(zhuǎn)速的增加有利于降低物料的最終粒徑分布水平，有利于提高Buss機(jī)的分散混合性能。

（3）喂料速率的增加不利于提高Buss機(jī)的分散混合性能。

(XS-06)

TQ320.52

：1009-797X(2015)04-0036-04

BDOI:10.13520/j.cnki.rpte.2015.04.005

郭少龍（1988-），男，動(dòng)力工程及工程熱物理專業(yè)，主要從事聚合物共混設(shè)備、塑料擠出機(jī)等研究工作。

2014-03-14