栗 陽(yáng),王振文,吳 敏

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,北京 100083)

在20世紀(jì)30年代,雙螺桿擠出機(jī)才真正用于聚合物的加工。雙螺桿擠出機(jī)是在單螺桿擠出機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,具有優(yōu)良的加料性能和擠出混合性能,因此,廣泛用于擠出制品的加工中[1]。單螺桿擠出機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造安裝方便、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn),但是與雙螺桿擠出機(jī)相比,其生產(chǎn)效率低、輸送能力差、自潔性差[2]。因此,雙螺桿擠出機(jī)得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。雙螺桿擠出機(jī)由傳動(dòng)裝置、加料裝置、料筒和螺桿等幾個(gè)部分組成,其中主要機(jī)械部位是傳動(dòng)裝置和螺桿,因此,傳動(dòng)技術(shù)和擠出技術(shù)是雙螺桿擠出機(jī)的關(guān)鍵性技術(shù)[3],擠出技術(shù)中包含螺桿幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和操作參數(shù)的改進(jìn)。

在雙螺桿擠出加工過(guò)程中,物料從進(jìn)料口進(jìn)入,在雙螺桿的推動(dòng)作用下,物料沿著擠出方向前進(jìn)。在雙螺桿和機(jī)筒組成的“∞”形流道中[4],物料經(jīng)過(guò)加壓、剪切、混合,從流道出口的口模中瞬間擠出,物料從高溫高壓突然降低至常溫常壓而發(fā)生膨化。按照螺桿段的不同功能,沿?cái)D出方向流道大致可分為固體輸送段、熔融段和熔體輸送段。由于物料處于固體時(shí)物料特性的復(fù)雜性和不確定性,對(duì)固體輸送段的研究相對(duì)較少[5]。

目前,對(duì)雙螺桿擠出機(jī)的研究,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。國(guó)內(nèi)外大部分學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得到了一些關(guān)于幾何結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)方面的成果,大量圍繞谷物和植物蛋白的擠壓研究更多關(guān)注擠壓參數(shù)(機(jī)筒溫度、螺桿轉(zhuǎn)速等)與品質(zhì)指標(biāo)間的模型構(gòu)建[6-11],對(duì)于擠壓過(guò)程主要通過(guò)參數(shù)優(yōu)化來(lái)調(diào)控,屬于間接研究方式和手段,但是對(duì)于擠壓機(jī)流道內(nèi)物料具體的流動(dòng)過(guò)程和狀態(tài)不能確定。為了更好的控制擠出過(guò)程，預(yù)測(cè)擠出品質(zhì),明確擠出機(jī)流道內(nèi)物料在不同條件下的流動(dòng)狀態(tài)以便更加直接的反映物料的擠出過(guò)程和擠出品質(zhì),研究擠出機(jī)流道流場(chǎng)具有重要意義。

計(jì)算機(jī)流體力學(xué)的發(fā)展,為學(xué)者研究雙螺桿擠出機(jī)流道的擠出狀態(tài)提供了新的思路。借助于計(jì)算機(jī)流體力學(xué)軟件(polyflow、cfx和fluent等)對(duì)雙螺桿擠出機(jī)流道內(nèi)物料的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值仿真,得到關(guān)于物料流道的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng),進(jìn)而分析影響擠出過(guò)程的因素。這種數(shù)值模擬方法相較于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法有較大的優(yōu)越性[12]。本文對(duì)雙螺桿擠出機(jī)流道流場(chǎng)和操作參數(shù)的數(shù)值仿真研究結(jié)果進(jìn)行了概述和總結(jié),為未來(lái)的相關(guān)研究提供了理論指導(dǎo)和借鑒。

1 雙螺桿擠出機(jī)流道仿真模型和軟件應(yīng)用分析

雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)的擠出混合過(guò)程非常復(fù)雜,熔體在流道中受到高溫高壓和高剪切等多種復(fù)雜作用,再加上不同物料在擠出流動(dòng)過(guò)程中復(fù)雜的流變特性,使得雙螺桿擠出機(jī)的流道數(shù)學(xué)模型難以建立,理論模型與實(shí)際的工作情況存在較大的差異[13]。由于擠出過(guò)程流道的復(fù)雜性,國(guó)內(nèi)外大部分學(xué)者對(duì)流道的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了假設(shè)和簡(jiǎn)化,假設(shè)流體為不可壓縮流體、層流流動(dòng)和冪律流體,物料與螺桿和機(jī)筒壁面無(wú)滑移且充滿整個(gè)流道,以便于數(shù)值仿真。但是在實(shí)際擠出過(guò)程中,機(jī)筒和螺桿存在壁面滑移的現(xiàn)象,Malik等[14]就壁面滑移邊界條件下,采用三維有限元法對(duì)集中懸架全嚙合旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠壓進(jìn)行了分析。結(jié)果表明在滑移邊界條件下的數(shù)值計(jì)算更加復(fù)雜,壓力對(duì)壁面滑移速度也存在一定的影響。由于雙螺桿擠出機(jī)擠出過(guò)程的復(fù)雜性,采用數(shù)值方法和簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型的形式進(jìn)行仿真模擬分析具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值,特別是在反映流場(chǎng)擠出狀態(tài)上具有重要參考價(jià)值,也是闡釋擠出機(jī)復(fù)雜擠出過(guò)程目前最有效的方法之一,當(dāng)然在數(shù)學(xué)模型構(gòu)建和仿真邊界條件選擇上還有很多提升的空間。

利用流體動(dòng)力學(xué)和物料流變學(xué)等理論建立流體的數(shù)學(xué)模型。雙螺桿擠出機(jī)流道的數(shù)學(xué)模型方程包括流體力學(xué)三大方程中的連續(xù)性方程、Naiver-Stokes方程和能量方程(如果假設(shè)擠出機(jī)的流道是等溫流場(chǎng),那么在仿真模型中不需要能量方程)基于流變學(xué)的化學(xué)流變本構(gòu)方程[15]。數(shù)值模擬的過(guò)程就是對(duì)上述偏微分方程組迭代求解的過(guò)程。

邊界條件主要包含進(jìn)出口邊界條件和壁面速度邊界條件。對(duì)于進(jìn)出口邊界條件,由于是對(duì)擠壓機(jī)流場(chǎng)對(duì)應(yīng)的一段進(jìn)行數(shù)值仿真,國(guó)內(nèi)外學(xué)者和研究人員大多采用放松邊界條件,在計(jì)算域的進(jìn)出口給定流量邊界條件或者壓力邊界條件。對(duì)于壁面速度邊界條件,由于機(jī)筒一般靜止螺桿按照固定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng),所以,粘附于機(jī)筒壁面的流體速度為零,粘附于螺桿壁面的流體速度等于螺桿角速度與螺桿半徑的乘積。

1.1 基于polyflow軟件的雙螺桿擠壓模型適用性分析

常用的聚合物加工計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)軟件有polyflow、moldflow和ansys等。ansys軟件主要用于結(jié)構(gòu)方面的分析,moldflow廣泛應(yīng)用于注射成型的模擬中[16-17]。而計(jì)算機(jī)流體力學(xué)軟件polyflow是專用于分析粘彈性流體的軟件,包含多種流動(dòng)模型可以用于研究聚合物擠出、混合和化學(xué)反應(yīng)的問(wèn)題。尤其在雙螺桿擠出問(wèn)題的研究中,隨著螺桿的旋轉(zhuǎn),流場(chǎng)形狀不斷發(fā)生改變,因此需要對(duì)幾何模型重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分。而polyflow軟件利用網(wǎng)格重疊技術(shù)[18],將螺桿區(qū)域和流體區(qū)域分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分,然后把兩區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行組合,在求解計(jì)算時(shí)可以判斷出哪部分網(wǎng)格屬于流體哪部分網(wǎng)格屬于螺桿,大大減少了研究人員的工作量。所以,polyflow是進(jìn)行雙螺桿擠出機(jī)流道內(nèi)聚合物擠出加工仿真模擬的最佳選擇。

Polyflow采用有限元法,主要包含polyflow、polydata、polystat三個(gè)模塊,由一個(gè)主控程序polyman來(lái)運(yùn)行。軟件的使用一般是先運(yùn)用前處理軟件gambit進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,將網(wǎng)格導(dǎo)入polydata中設(shè)置分析任務(wù)的物理模型、材料特性和邊界條件等進(jìn)行收斂性求解,再運(yùn)行fieldview,查看仿真結(jié)果[19]。

1.2 Polyflow軟件在擠出機(jī)數(shù)值仿真中的應(yīng)用

Polyflow軟件應(yīng)用于裝備設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及操作參數(shù)的改進(jìn)時(shí),能有效的縮短研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期,提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本[18]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用polyflow軟件取得了一系列的研究成果。Lewandowski等[20]運(yùn)用polyflow軟件對(duì)單螺桿擠出機(jī)內(nèi)的熔體流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,得出了不同滑移參數(shù)對(duì)擠出機(jī)運(yùn)行的影響。Yang等[21]對(duì)檸檬汁凝膠三維打印工藝進(jìn)行了改進(jìn),利用polyflow軟件模擬得出不同的材料特性和工藝參數(shù)對(duì)裝料筒流道的影響。Yue等[22]研究了氣體注射壓力、擠壓速度和牽引速度對(duì)擠壓五腔導(dǎo)管的影響,通過(guò)polyflow軟件模擬仿真和正交試驗(yàn)得出了擠壓五腔導(dǎo)管各參數(shù)的最佳組合。

土耳其安納托利亞地區(qū)，每年都要舉行一次斗駱駝比賽。斗駱駝時(shí)，兩頭駱駝各自彎下頭，用前額撐住對(duì)方，并設(shè)法用力把對(duì)方推倒在地上。當(dāng)其中一頭取得勝利后，主人還得竭力把它們拉開。

表1 不同螺桿幾何結(jié)構(gòu)的擠出混合性能Table 1 Extrusion mixing performance of different screw geometry

2 雙螺桿擠出機(jī)螺桿幾何結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真研究進(jìn)展

2.1 螺桿幾何結(jié)構(gòu)的構(gòu)成

雙螺桿擠出機(jī)的螺紋元件主要包含兩大類,一類是普通螺紋元件,另一類是捏合盤元件,同時(shí)這兩類元件都有正向和反向之分。還有一類新型螺紋元件具有特殊的幾何構(gòu)型,它們一般是用來(lái)提高雙螺桿擠出機(jī)的性能而設(shè)計(jì)。為了適應(yīng)對(duì)不同物料和擠出產(chǎn)品的要求,雙螺桿擠出機(jī)的組合螺桿部分可以置換,各個(gè)擠出段可以有不同形式的螺桿組合以達(dá)到不同的擠出目的。普通螺紋元件和捏合盤元件也有不同的幾何結(jié)構(gòu),普通螺紋元件有不同的螺距,捏合盤元件有不同的盤厚度和錯(cuò)列角等。雙螺桿擠出機(jī)不同的螺桿幾何結(jié)構(gòu)可以對(duì)擠出過(guò)程產(chǎn)生顯著影響,可以依據(jù)雙螺桿幾何學(xué)對(duì)螺紋元件進(jìn)行建模[23],借助計(jì)算機(jī)流體力學(xué)軟件對(duì)不同螺桿構(gòu)型下的擠出過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真,用以探究螺桿幾何結(jié)構(gòu)對(duì)擠出過(guò)程的影響。

2.2 螺桿幾何結(jié)構(gòu)對(duì)擠出性能的影響

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)的普通螺紋元件和捏合盤元件的擠出混合性能進(jìn)行了大量的研究。主要的研究成果如表1所示。

2.2.1 普通螺紋元件對(duì)擠出機(jī)的擠出性能影響分析 普通螺紋元件作為雙螺桿擠出機(jī)螺桿構(gòu)型中最基本的元件,它的導(dǎo)程、頭數(shù)和螺槽寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)擠出過(guò)程和擠出結(jié)果都有著重要的影響。通過(guò)表1中普通螺紋元件的研究結(jié)果可以明顯的發(fā)現(xiàn),螺紋導(dǎo)程的大小對(duì)螺桿的輸送能力影響較大[26]。在一定范圍下,螺桿導(dǎo)程的增大可以提高螺桿的建壓能力和輸送能力,由于螺桿對(duì)物料的輸送機(jī)理一般認(rèn)為是正位移輸送,螺桿輸送能力的提高可能會(huì)增大物料在流道內(nèi)的機(jī)械能,機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的總量也會(huì)一定程度增大,這樣物料在流道內(nèi)的粘性耗散率也會(huì)隨之增大[27]。根據(jù)擠出要求,選擇合適的螺紋元件導(dǎo)程從而確定出合適的輸送參數(shù)和建壓水平,可以提高物料的擠出質(zhì)量。普通螺紋元件另外一個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)是螺紋頭數(shù),而螺桿的頭數(shù)則決定了螺桿截面的幾何形狀,不同的螺桿截面形狀對(duì)流道內(nèi)剪切速率有顯著影響[24]。雙頭螺桿對(duì)淀粉基物料的擠壓糊化能力比單頭螺桿要強(qiáng),這是由于雙頭螺桿的剪切能力要優(yōu)于單頭螺桿[7],更大的剪切能力可以實(shí)現(xiàn)螺桿對(duì)物料更充分的剪切混合作用。

普通螺紋元件的螺槽寬度也對(duì)擠出過(guò)程產(chǎn)生顯著影響。俞建峰等[7]就螺槽寬度對(duì)辣條擠出質(zhì)量的影響進(jìn)行了單因素實(shí)驗(yàn)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn):較大的螺槽寬度受到機(jī)頭反向壓力的影響更大,物料在流道內(nèi)的回流量增大停留時(shí)間更長(zhǎng),物料得以充分剪切混合,得到的擠出產(chǎn)品質(zhì)量更高。同時(shí),Zong等[25]數(shù)值模擬了雙螺桿擠出機(jī)合成聚對(duì)苯二甲酸對(duì)苯二胺的過(guò)程,研究了普通螺紋元件、捏合塊、螺桿混合元件對(duì)擠出過(guò)程的影響。結(jié)果表明:引入更多的反向普通螺紋元件和捏合盤可以增加物料在流道內(nèi)的停留時(shí)間,提高聚合物的擠出質(zhì)量。郭樹國(guó)等[34]用數(shù)值仿真了豆粕在雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)的擠出過(guò)程,結(jié)果表明豆粕受反向螺紋元件的作用在流道內(nèi)的停留時(shí)間大大增加,豆粕的混合更加充分。因此,無(wú)論是對(duì)于以聚合物還是食品熔體為原料的擠壓過(guò)程,只要通過(guò)合理改變螺桿構(gòu)型的結(jié)構(gòu)參數(shù),增加了物料在流道的回流量和停留時(shí)間,都可以優(yōu)化調(diào)控物料的擠出品質(zhì)。

2.2.2 普通捏合塊對(duì)擠出機(jī)的擠出性能影響分析 雙螺桿擠出機(jī)中廣泛使用著另一種螺桿元件—捏合塊,捏合塊是由若干個(gè)捏合盤按照一定的錯(cuò)列角組成的。根據(jù)捏合塊的螺旋角的方向不同,捏合塊可以分為正向捏合塊、反向捏合塊和中性捏合塊。通過(guò)數(shù)值仿真分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),盤厚度和錯(cuò)列角對(duì)捏合盤的性能有著非常大的影響[28-29],盤厚度和錯(cuò)列角對(duì)剪切混合的影響詳見(jiàn)表1。反向捏合盤由于具有背壓能力,使物料的回流量大大增加,同時(shí)由于捏合盤特殊的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)物料的高剪切作用,因此反向捏合盤具有最強(qiáng)的分散混合能力[31]。45°正向捏合盤元件和反向捏合盤元件組合可以提高剪切能力[30],這主要由于在45°正向捏合盤元件末端建立起足夠的壓力,使物料通過(guò)反向捏合盤元件,物料可以在反向捏合盤內(nèi)產(chǎn)生回流而使物料充分混合,另一方面,兩個(gè)捏合盤元件本身幾何結(jié)構(gòu)的特殊性,使物料在兩個(gè)螺桿元件之間反復(fù)受到劇烈的剪切作用。捏合盤元件相比較于普通螺紋元件擁有更強(qiáng)的剪切能力,可以提供更加充分的混合[33]。因此在擠出加工中,根據(jù)對(duì)剪切混合的要求,選擇捏合盤元件來(lái)增大對(duì)物料的剪切混合作用,可以提高物料的擠出品質(zhì)。

2.2.3 新型螺桿元件對(duì)擠出性能的影響 隨著雙螺桿擠出技術(shù)的成熟,各種新型的螺桿輸送系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。Xu等[35]就利用polyflow軟件提供的有限元法和網(wǎng)格疊加技術(shù),對(duì)新型非雙螺桿構(gòu)型的三維流場(chǎng)以及傳統(tǒng)的雙螺桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬。使一個(gè)單頭螺桿元件與另一個(gè)雙頭螺桿元件以2倍的速度相互嚙合,這種新型輸送系統(tǒng)具有更好的分布和分散混合能力。與改變螺桿的嚙合結(jié)構(gòu)相比,新型螺桿元件的設(shè)計(jì)應(yīng)用可以直接改善雙螺桿擠出機(jī)的輸送系統(tǒng),提高雙螺桿擠出機(jī)的擠出性能。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)各種新型螺桿元件進(jìn)行了大量的研究,采用計(jì)算機(jī)流體力學(xué)軟件對(duì)新型螺桿元件進(jìn)行數(shù)值模擬分析,可以直接反映它們?cè)诹鞯垒斔拖到y(tǒng)中的剪切混合作用,縮短了新型螺桿元件的設(shè)計(jì)和研發(fā)周期,減小了設(shè)計(jì)研發(fā)成本。

3 雙螺桿擠出機(jī)操作參數(shù)的數(shù)值仿真研究進(jìn)展

3.1 雙螺桿擠出機(jī)的操作參數(shù)分析

雙螺桿擠出機(jī)的生產(chǎn)效率、擠出品質(zhì)和功耗是衡量擠出加工的重要指標(biāo)[41],而這些指標(biāo)受到操作參數(shù)的影響,操作參數(shù)的不同可以對(duì)雙螺桿擠出機(jī)的擠出過(guò)程產(chǎn)生較大影響[42]。操作參數(shù)主要包括螺桿轉(zhuǎn)速、機(jī)筒溫度和進(jìn)料流量等,其中螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)雙螺桿的擠出加工有顯著影響。借助于計(jì)算機(jī)流體力學(xué)軟件,對(duì)處在不同操作參數(shù)下的雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行模擬仿真,來(lái)分析不同操作參數(shù)對(duì)擠出過(guò)程的影響。下文綜述分析了他們的數(shù)值模擬結(jié)果,可以為雙螺桿擠出機(jī)的實(shí)踐操作提供理論指導(dǎo)。

3.2 操作參數(shù)對(duì)擠出性能的影響

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同操作參數(shù)下螺桿擠出機(jī)的擠出混合性能進(jìn)行了大量的研究,研究方法主要分為兩種,一種是響應(yīng)面分析法,另外一種是計(jì)算機(jī)流體力學(xué)的數(shù)值仿真。主要的研究結(jié)論如表2所示。

3.2.1 螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)擠出機(jī)的擠出性能影響分析 螺桿轉(zhuǎn)速是影響雙螺桿擠出機(jī)擠出過(guò)程的重要操作參數(shù),確定合適的螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)擠出品質(zhì)有著至關(guān)重要的影響。從表2中發(fā)現(xiàn),螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)物料的剪切速率和停留時(shí)間都有密切的關(guān)系,增大螺桿轉(zhuǎn)速會(huì)提高剪切速率,提高對(duì)物料的混合剪切作用,但是螺桿轉(zhuǎn)速增大的同時(shí)物料在流道內(nèi)的加工時(shí)間又會(huì)變短,物料又難以充分混合[43-45]。關(guān)于食用菌菌糠的研究發(fā)現(xiàn),隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增大,粗纖維的降解率先增大后降低[10],先增大是由于螺桿轉(zhuǎn)速的增大提供了高剪切速率,而后減小則主要是由于食用菌菌糠在流道內(nèi)停留時(shí)間縮短的緣故。這與聚合物在數(shù)值仿真中的模擬結(jié)果是相似的,說(shuō)明無(wú)論是聚合物還是食品熔體,螺桿轉(zhuǎn)速的變化對(duì)物料都有一致的影響。因此,在擠出加工中,為了獲得良好的擠出制品,應(yīng)該權(quán)衡剪切速率和停留時(shí)間兩個(gè)因素來(lái)選擇合適的螺桿轉(zhuǎn)速。一般認(rèn)為,螺桿轉(zhuǎn)速的增大可以減小物料在螺桿流道內(nèi)的停留時(shí)間,但是在擠出機(jī)機(jī)頭過(guò)渡體處隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增大物料的混合更加充分[47],這可能是由于過(guò)渡體機(jī)頭的幾何結(jié)構(gòu)與螺桿結(jié)構(gòu)不同所致。物料在螺桿作用下作螺旋運(yùn)動(dòng),而在過(guò)渡體機(jī)頭處的物料的流動(dòng)要比在螺桿內(nèi)簡(jiǎn)單的多,因此大的螺桿轉(zhuǎn)速可以使物料混合更加充分。

表2 不同操作參數(shù)對(duì)擠出性能的影響Table 2 Influence of different operation parameters

3.2.2 機(jī)筒溫度對(duì)擠出機(jī)的擠出性能影響分析 機(jī)筒溫度是另一個(gè)對(duì)擠出過(guò)程產(chǎn)生重要影響的因素。隨著機(jī)筒溫度的增大,物料在機(jī)筒內(nèi)的分子擴(kuò)散效率變高,同時(shí)物料的粘度降低,有利于物料在機(jī)筒內(nèi)的反應(yīng)擠出過(guò)程,提高物料的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率[50]。但是機(jī)筒溫度過(guò)高,物料會(huì)產(chǎn)生一定的物理化學(xué)變化使擠出質(zhì)量下降。Li等[6]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著機(jī)筒溫度的升高,淀粉的凝膠化程度嚴(yán)重使擠出產(chǎn)品的可接受度降低。Wang等[8]發(fā)現(xiàn),隨著機(jī)筒溫度的升高,糙米的蒸煮損失急劇下降,吸水性顯著降低。這可能是由于機(jī)筒溫度過(guò)高,擠出反應(yīng)過(guò)于劇烈增強(qiáng)了變性淀粉網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性,限制了水合反應(yīng)的進(jìn)行。Wu等[49]開展的亞麻膠擠壓降解研究中發(fā)現(xiàn),較高的機(jī)筒溫度可以有效的降解亞麻膠,將高分子多糖降解為低分子量的多糖或單糖,顯著降低了粘度。因此在擠出加工中,應(yīng)該根據(jù)不同的物料和擠出加工要求選擇相應(yīng)的機(jī)筒溫度,通過(guò)數(shù)值仿真觀察物料在流道內(nèi)的反應(yīng)擠出狀態(tài),可以預(yù)測(cè)不同機(jī)筒溫度對(duì)擠出產(chǎn)品質(zhì)量的影響,為優(yōu)化選擇機(jī)筒溫度的提供參考。

3.2.3 進(jìn)料流量對(duì)擠出機(jī)的擠出性能影響分析 進(jìn)料流量是控制擠出反應(yīng)過(guò)程的關(guān)鍵因素,而進(jìn)料流量的大小對(duì)剪切速率的影響不顯著。增大進(jìn)料流量可以加快擠出加工的效率,生產(chǎn)更多的擠出制品,但是增大物料的進(jìn)料流量使物料在流道內(nèi)停留時(shí)間變短,物料因而無(wú)法充分混合[50]。Wu等[51]對(duì)亞麻籽擠壓脫毒工藝研究時(shí)發(fā)現(xiàn),在達(dá)到解毒要求值的條件下,增大進(jìn)料流量可以提高生產(chǎn)效率。因此,對(duì)于擠出混合要求高的加工過(guò)程,進(jìn)料流量就不宜選取過(guò)大的值,為了保證擠出制品的混合質(zhì)量并兼顧產(chǎn)能,應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)料流量。

上述分別分析了螺桿轉(zhuǎn)速、機(jī)筒溫度和進(jìn)料流量對(duì)于擠壓機(jī)擠出性能和產(chǎn)品品質(zhì)改變的關(guān)系,但在實(shí)際擠壓加工聚合物和食品物料過(guò)程中,上述三個(gè)因素也會(huì)產(chǎn)生交互作用和共同影響,較多的響應(yīng)面分析和多因素研究中發(fā)現(xiàn),交互作用的影響存在并顯著[52-53],因此更好的圍繞多因素場(chǎng)的交互影響分析是目前擠壓機(jī)數(shù)值仿真和參數(shù)優(yōu)化調(diào)控的關(guān)鍵。

4 展望

計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)軟件polyflow是針對(duì)粘彈性流體開展雙螺桿擠出機(jī)流道流場(chǎng)模擬的最優(yōu)適用軟件。運(yùn)用polyflow軟件對(duì)雙螺桿擠出機(jī)在不同幾何結(jié)構(gòu)和不同操作參數(shù)下的數(shù)值模擬,得到了關(guān)于螺桿幾何結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)對(duì)雙螺桿擠出機(jī)擠出混合狀態(tài)的影響,結(jié)果具有一定的可信度和參考價(jià)值。但是polyflow是基于網(wǎng)格的有限元算法,無(wú)法擺脫在復(fù)雜幾何區(qū)域生成高質(zhì)量網(wǎng)格的難度和網(wǎng)格畸變帶來(lái)的負(fù)面影響。而光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(SPH)是一種無(wú)網(wǎng)格的數(shù)值算法,SPH算法是一種純Lagrange的粒子法,擺脫了網(wǎng)格對(duì)數(shù)值模擬的局限性。由于雙螺桿擠出機(jī)螺桿幾何形狀的復(fù)雜性,因此基于SPH算法的數(shù)值模擬技術(shù)將是未來(lái)研究雙螺桿擠出機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向。

通過(guò)計(jì)算機(jī)流體力學(xué)軟件polyflow可以得到物料在流道內(nèi)擠出的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和剪切速率場(chǎng)等,借助于后處理軟件fieldview和polystat模塊可以得到物料在流道內(nèi)的回流量、停留時(shí)間分布和加權(quán)平均剪切應(yīng)力等參數(shù)。回流量和停留時(shí)間分布決定了物料的分布混合,加權(quán)平均剪切應(yīng)力則決定了物料的分散性混合。對(duì)于螺桿幾何構(gòu)型的數(shù)值模擬,不論擠出物料是化學(xué)聚合物還是食品類熔體,螺桿構(gòu)型對(duì)不同物料的剪切混合具有一定的相似性,因?yàn)椴煌锪显诹鞯纼?nèi)受到的剪切混合作用與螺桿的幾何結(jié)構(gòu)密切相關(guān),反向螺紋元件和捏合盤均可以提高對(duì)物料的剪切混合。同時(shí)也會(huì)受到擠出物料的流動(dòng)特性影響,流變特性表征又與原料組分微觀結(jié)構(gòu)特性和擠出機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。而對(duì)于操作參數(shù)的數(shù)值仿真,由于不同物料理化性質(zhì)的千差萬(wàn)別,所得結(jié)果的具體數(shù)值具有差異性,但是不同物料的擠出性能隨操作參數(shù)變化的趨勢(shì)是一致的,因此通過(guò)數(shù)值仿真的結(jié)果可以縮小操作參數(shù)的選擇范圍,預(yù)測(cè)擠出制品的品質(zhì)。

關(guān)于數(shù)值仿真的試驗(yàn)驗(yàn)證,目前主要是把螺桿擠出機(jī)的實(shí)際擠出特性參數(shù)與相同條件下的數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,來(lái)驗(yàn)證數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性。例如為了驗(yàn)證螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)停留時(shí)間的影響而把實(shí)際擠出物的質(zhì)量與數(shù)值仿真下計(jì)算出的擠出質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比;為了驗(yàn)證最佳的機(jī)筒溫度工藝參數(shù)而把實(shí)際擠出確定的最佳溫度與數(shù)值仿真下的溫度云圖進(jìn)行對(duì)比分析。但是這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且誤差比較大,對(duì)擠出過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的仿真驗(yàn)證難度較大。因此,建立微型雙螺桿擠出機(jī)的實(shí)物模型和試驗(yàn)平臺(tái),將實(shí)驗(yàn)用雙螺桿擠出機(jī)的機(jī)筒用特殊材質(zhì)做成透明,從透明視窗中采用攝像機(jī)高速獲取圖像的方式,可直觀、動(dòng)態(tài)連續(xù)、實(shí)時(shí)地獲取物料的擠出反應(yīng)信息,基于圖像處理技術(shù)可以真實(shí)準(zhǔn)確的反映物料的擠出狀態(tài)。對(duì)擠出過(guò)程進(jìn)行可視化的試驗(yàn)驗(yàn)證不失為一種理想的方法,這將為未來(lái)的擠壓機(jī)理研究提供更準(zhǔn)確有效的思路。