嚙合同向雙螺桿擠出機分散混合性能的數(shù)值模擬研究.pdf

1、嚙合同向雙螺桿擠出機在聚合物的共混中得到了廣泛的應(yīng)用，它的螺桿采用積木式結(jié)構(gòu)，即根據(jù)不同的混合要求，可以由不同的螺桿元件組合而成，常用的螺桿元件為螺紋元件和捏合盤元件，螺紋元件一般作為輸送元件，而捏合盤元件一般作為混合元件，對螺紋元件、捏合盤元件以及由這兩種元件組成的螺桿構(gòu)型進行分散混合性能分析，不僅會對嚙合同向雙螺桿擠出機的開發(fā)設(shè)計提供理論上的指導(dǎo)，而且還可以簡化實驗，輔助設(shè)計配方和確定嚙合同向雙螺桿擠出機的工藝參數(shù)，具有重要的實際和

2、理論意義。本文對嚙合同向雙螺桿擠出機的螺紋元件和捏合盤元件以及由兩種螺桿元件組成的三種螺桿構(gòu)型進行了全三維非牛頓等溫流場分析，并編程計算了物料的三維流動路徑，計算了停留時間分布、回流距離分布、剪切速率分布、總剪切應(yīng)變分布和剪切應(yīng)力分布，并結(jié)合液滴和粉體的分散模型，計算了流道出口液滴和粉體的直徑分布。 所編寫的程序?qū)崿F(xiàn)了對嚙合同向雙螺桿擠出機的螺紋元件、捏合盤元件以及由兩種元件組成的各種螺桿構(gòu)型的參數(shù)化分析，也即在程序的輸入模塊中

3、輸入螺桿構(gòu)型的組成形式、螺桿構(gòu)型各組成元件的幾何參數(shù)、網(wǎng)格劃分控制參數(shù)、物性參數(shù)、轉(zhuǎn)速和壓差等工藝參數(shù)、計算三維流動路徑所要分析的瞬時模型個數(shù)、軟件ANSYS的求解控制參數(shù)、液滴以及粉體的分散模型參數(shù)以及工程所在的目錄之后，執(zhí)行程序就可以自動完成建立工程目錄，建立各個瞬時有限元模型、自動對各個瞬時有限元模型調(diào)用軟件ANSYS進行有限元計算，存儲各瞬時模型的速度分布、壓力分布和粘度分布，計算三維流動路徑，并從三維流動路徑計算停留時間分布、

4、回流距離分布、剪切速率分布、總剪切應(yīng)變分布和剪切應(yīng)力分布以及計算液滴和粉體的直徑分布并存儲。該程序如果再加以完善可以形成軟件，可用于對嚙合同向雙螺桿擠出機熔體輸送區(qū)的分散混合過程進行數(shù)值模擬。 在捏合盤元件的分析中，主要分析了轉(zhuǎn)速、壓差和流量等工藝參數(shù)以及捏合盤元件的錯列角、盤片厚度和螺桿與機筒之間的間隙等幾何參數(shù)對回流量、G值、停留時間分布、回流距離分布、剪切速率分布、總剪切應(yīng)變分布和剪切應(yīng)力分布等混合性能參數(shù)以及對捏合盤元件

5、出口的液滴和粉體直徑分布的影響。計算結(jié)果表明：提高壓差、等流量提高轉(zhuǎn)速、增大錯列角和捏合盤盤片厚度都可以提高分散混合效果；而等壓差下提高轉(zhuǎn)速對液滴的分散沒有改善，反而會降低了粉體的分散效果；增大螺桿與機筒之間的間隙會使捏合盤元件出口液滴的平均直徑增大，但是另一方面使得液滴大小分布更均勻，間隙的增大有利于粉體的分散混合。 與分析捏合盤元件的方法相同，利用三維流動路徑，同樣分析了螺紋元件的混合性能參數(shù)，計算了其出口的液滴和粉體的直徑

6、分布，并與捏合盤元件在相同轉(zhuǎn)速相同壓差和相同轉(zhuǎn)速相同流量兩種條件下進行了比較。結(jié)果表明：雖然捏合盤元件的停留時間、回流距離、剪切速率、總剪切應(yīng)變和剪切應(yīng)力分布較發(fā)散，但是它們的平均值比較大。兩種元件出口的液滴和粉體直徑分布的比較表明，捏合盤元件的分散混合效果好于螺紋元件。 由兩個相同螺紋元件和一個捏合盤元件組成了三種螺桿構(gòu)型，對三種螺桿構(gòu)型進行了分析比較。計算三維流動路徑要求從有限元流場分析得到的速度分布要盡可能準確和盡可能多的

7、瞬時流場模型，否則就得不到正確的流動路徑，這樣要求對每一個流場瞬時模型的網(wǎng)格劃分比較細；捏合盤盤片的錯列處流道有突變，錯列處的流動對整個捏合盤元件的流場影響很大，所以在捏合盤盤片錯列處要細分網(wǎng)格，否則計算的誤差會很大，另外流道的出口和入口也要細分網(wǎng)格，因此如果所計算的螺桿構(gòu)型長度比較大，那么需要的計算機的內(nèi)存和硬盤空間是十分巨大的，個人計算機很難滿足內(nèi)存容量和硬盤空間要求。本文計算的螺桿構(gòu)型長度為60mm，組成螺桿構(gòu)型的螺紋元件和捏合盤