啮合同向双螺杆挤出机分散混合性能的数值模拟研究
啮合同向双螺杆挤出机在聚合物的共混中得到了广泛的应用，它的螺杆采用积木式结构，即根据不同的混合要求，可以由不同的螺杆元件组合而成，常用的螺杆元件为螺纹元件和捏合盘元件，螺纹元件一般作为输送元件，而捏合盘元件一般作为混合元件，对螺纹元件、捏合盘元件以及由这两种元件组成的螺杆构型进行分散混合性能分析，不仅会对啮合同向双螺杆挤出机的开发设计提供理论上的指导，而且还可以简化实验，辅助设计配方和确定啮合同向双螺杆挤出机的工艺参数，具有重要的实际和理论意义。本文对啮合同向双螺杆挤出机的螺纹元件和捏合盘元件以及由两种螺杆元件组成的三种螺杆构型进行了全三维非牛顿等温流场分析，并编程计算了物料的三维流动路径，计算了停留时间分布、回流距离分布、剪切速率分布、总剪切应变分布和剪切应力分布，并结合液滴和粉体的分散模型，计算了流道出口液滴和粉体的直径分布。
所编写的程序实现了对啮合同向双螺杆挤出机的螺纹元件、捏合盘元件以及由两种元件组成的各种螺杆构型的参数化分析，也即在程序的输入模块中输入螺杆构型的组成形式、螺杆构型各组成元件的几何参数、网格划分控制参数、物性参数、转速和压差等工艺参数、计算三维流动路径所要分析的瞬时模型个数、软件ANSYS的求解控制参数、液滴以及粉体的分散模型参数以及工程所在的目录之后，执行程序就可以自动完成建立工程目录，建立各个瞬时有限元模型、自动对各个瞬时有限元模型调用软件ANSYS进行有限元计算，存储各瞬时模型的速度分布、压力分布和粘度分布，计算三维流动路径，并从三维流动路径计算停留时间分布、回流距离分布、剪切速率分布、总剪切应变分布和剪切应力分布以及计算液滴和粉体的直径分布并存储。该程序如果再加以完善可以形成软件，可用于对啮合同向双螺杆挤出机熔体输送区的分散混合过程进行数值模拟。
在捏合盘元件的分析中，主要分析了转速、压差和流量等工艺参数以及捏合盘元件的错列角、盘片厚度和螺杆与机筒之间的间隙等几何参数对回流量、G值、停留时间分布、回流距离分布、剪切速率分布、总剪切应变分布和剪切应力分布等混合性能参数以及对捏合盘元件出口的液滴和粉体直径分布的影响。计算结果表明：提高压差、等流量提高转速、增大错列角和捏合盘盘片厚度都可以提高分散混合效果；而等压差下提高转速对液滴的分散没有改善，反而会降低了粉体的分散效果；增大螺杆与机筒之间的间隙会使捏合盘元件出口液滴的平均直径增大，但是另一方面使得液滴大小分布更均匀，间隙的增大有利于粉体的分散混合。
与分析捏合盘元件的方法相同，利用三维流动路径，同样分析了螺纹元件的混合性能参数，计算了其出口的液滴和粉体的直径分布，并与捏合盘元件在相同转速相同压差和相同转速相同流量两种条件下进行了比较。结果表明：虽然捏合盘元件的停留时间、回流距离、剪切速率、总剪切应变和剪切应力分布较发散，但是它们的平均值比较大。两种元件出口的液滴和粉体直径分布的比较表明，捏合盘元件的分散混合效果好于螺纹元件。
由两个相同螺纹元件和一个捏合盘元件组成了三种螺杆构型，对三种螺杆构型进行了分析比较。计算三维流动路径要求从有限元流场分析得到的速度分布要尽可能准确和尽可能多的瞬时流场模型，否则就得不到正确的流动路径，这样要求对每一个流场瞬时模型的网格划分比较细；捏合盘盘片的错列处流道有突变，错列处的流动对整个捏合盘元件的流场影响很大，所以在捏合盘盘片错列处要细分网格，否则计算的误差会很大，另外流道的出口和入口也要细分网格，因此如果所计算的螺杆构型长度比较大，那么需要的计算机的内存和硬盘空间是十分巨大的，个人计算机很难满足内存容量和硬盘空间要求。本文计算的螺杆构型长度为60mm，组成螺杆构型的螺纹元件和捏合盘元件的长度为20mm，因为捏合盘元件的长度比较短，三种螺杆构型的分散混合性能几乎没有什么区别。国外的类似的计算都使用的是大型计算机或者工作站。
啮合同向双螺杆挤出机;三维流动路径;分散混合;液滴;粉体聚集体;数值模拟
北京化工大学
博士
材料加工工程
张立群
2006
中文
TQ320.52;TQ320.663
153
2006-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）