同向双螺杆挤出过程不同螺杆组合的混合性能分析

北京化工大学硕士学位论文同向双螺杆挤出过程不同螺杆组合的混合性能分析姓名：刘青烽申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：冯连勋;马秀清20060609螺杆构型，现给出这几种螺杆构型的实体模型，如图３－２所示。

图３－２七种螺杆图Ｆｉｇ３—２ＴｈｅＳＣＴｅＷｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ流场计算时所使用的几何参数如表３－ｌ所示。

表３－１流道几何参数导程螺杆外机筒内捏合盘错列角中心距计算域项目厚度长度ｆｍｍ）径（ｍｍ）径（ＩＩｌⅡ１）（ｏ）（ｍｍ）（ｍｍ）（ｒａｍ）①全正向螺纹３０３４３４６３０１２０流道②全正向捏合３４３４６７５３０３０１２０盘流道③全反向捏合３４３４６７５３０３０１２０盘流道ｊＥ京化工大学硕士研究生学位论文３．２．２．２方程组的建立连续性方程运动方程：盟＋堂＋里：ｏ舐钞ａｚ（３—２）肥警＋¨擎ｏ＇ｖ十ｔ争＝一塞＋ｃ等＋等＋争出’０２盘ｃ冀咖班肥－ａ－ｉｆ巧－＋＿豢＋屹警：一ｉａｐ＋（孕＋孥＋刍（３－３）～。

卿０ｚ曲ｏ＇ｘｏ、｝ｏ．ｇ肥豢＋＿等＋Ｋ擎＝一老＋蟹＋等＋鲁，上述各式中：Ｋ、Ｋ、ｔ．分别表示ｘ，Ｙ，ｚ方向上的速度分量：％，直角坐标系下的九个应力分量，其中ｉ，＿，分别表示Ｘ，Ｙ，ｚ；Ｐ，静压力，Ｐａ；ｐ，物料密度，ｋｇ－ｍ～。

加上流体本构方程Ｂｉｒｄ—Ｃａｒｒｅａｕ模型，共有三组方程（组）求解。

３．２．３有限元模型物理模型及数学模型的建立完成后，接下来的任务就是求解方程组。

求解方程组可以用解析法和数值法进行求解。

本文将用有限元方法求解方程组。

本研究模拟了两种流场。

一种是与时间无关的稳态流动：另一种是考虑了时间累积效应的拟稳态流场。

稳态流场计算时的网格使用Ｃ语言程序编程获得。

图３—３所示为全正向螺纹流道与错列角为３０。

的全正向捏合盘流道的有限元模型，其它五种流道的有限元模型与之类似，在这里不一一列出。

（ａ）全正向螺纹流道（ｂ）全正向捏合盘流道图３－３有限元模型示意图Ｆｉｇ．３－３ＦＥＭｍｏｄｅｌｓｆｏｒｓｔｅａｄｙｆｌｏｗｆｉｅｌｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｊ匕累１Ｃ工，‘穹颂士研咒生字位记灭在拟稳态流场计算时所使用的网格需要用到ＰＯＬＹＦＬＯＷ提供的网格重叠技术ＭＳＴ（ＭｅＳｈＳｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）。

计算中所用的有限元模跫如图３—４所示，同样的，也只给出了全正向螺纹流道和错列角为３００的全正向捏合盘流道的有限元模型，其中左边是机筒模型，右边是运动部件，即螺杆的模型。

（ａ）机筒①全正向螺纹流道（ｂ）蝶杆ｔａ）机简（ｂ）蝶¨②全止向捍合盘流道阕３－４同向双螺杆有限元模型示意圈Ｆｉｇ．３－４ＦＥＭｍｏｄｅｌｓｆｏｒｑｕａｓｉ—ｓｔｅａｄｙｆｌｏｗｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ３．２．３．１坐标系的选择为便于划分网格，使方程简洁明了，选择直角坐标系，如图３．５所示。

坐标原点为两螺杆中心连线的中点。

Ｘ轴方向向右，Ｙ轴方向向上，ｚ轴方向由右手法则确定，由此产生的坐标系将位于计算域的入口位置，Ｚ轴方向与挤出方向相同，因而模拟结果中的轴向速度若为正值，表明物料往前输送；若为负值，表明物料往回输送。

３．２．３．２单位制的选择单位制的选择也很重要，为保证计算结果的正确性，采用了国际单位制ＭＫＳ系统：长度单位为米（ｍ），质量单位为千克（埏），时间单位为秒（ｓ）。

ｊｔ京１七工大掌硕士研究生掌位论文压力呈现明显的“ｖ”字形分布，该“ｖ”字犁是正、反向捏合盘元件所形成的，高压区位于正向捏合盘和反向捏合盘的交接处的推力丽上。

①全正向螺纹流道③全反向捏合盘流道②全正向捏合盘流道④正向螺纹＋正向捏合盘流道⑤正向螺纹＋反向捏合盘流道⑥正向捏合盘十反向捏合盘流道⑦错列角为６０。

的全正向捏合盘流道图舢５七种流道的压力场分布云图（Ｐａ）Ｆｉｇ４－５Ｐｒｅｓｓｕｒｅｐｒｏｆｉｌｅｓ一３ｌｊＣｉ＇＾扭大掌司Ｅ±研咒生掌位论文４．１．６．３剪切速率场图４－６所示为这七种流道的剪切速率场分布图。

单位为：ｓ～。

由图可知，螺纹元件和捏合盘元件螺棱顶部以及啮合区的剪切速率晟火，听螺纹元件的螺槽根部和捏合盘元件螺槽根部剪切速率则相对较小。

这是因为螺棱顶部与机筒内壁间隙很小，该处速度梯度大，凶此，该处产生的剪切速率就很大：而螺槽处，速度梯度小，故剪切速率也小。

同时还可以看到，在螺棱处捏合盘元件的最大剪切速率的区域要比螺纹元件的最大剪切速率区域宽，这是由于捏合盘元件的螺棱比螺纹元件的螺棱宽的缘故。

对比一下七种流道在上述图中的最大剪切速率。

从图中可以看到，流道①中的最大剪切速率在所有流道中是最小的，因此该流道内物料所承受的剪切作用最小。

流道⑦要稍高一些，这是由于该流道中是６００正向捏合盘元件，增强了剪切作用。

流道④与流道⑦相比，差别不大，而流道⑤比这二者又大。

流道②的最大剪切速率与流道⑤差不多，而流道⑥的最大剪切速率与之相比又更高一些。

流道③的最大剪切速率在所有的组合流道中是最高的，因为该流道为全反向捏合盘元件，属于阻力元件，故该流道中窄间隙区的速度梯度要更人，因而剪切速率更大。

由此可以看出，反向捏合盘元件具有较强的剪切作用，正向捏合盘元件与之相比要差一些，而正向螺纹元件的剪切作用则最差。

①全正向螺纹流道②全正向捏合盘流道ｊ匕京１七工大学硕士研究生学位论文③全反向捏合盘流道④正向螺纹＋正向捏合盘流道⑤正向螺纹＋反向捏合盘流道⑥正向捏合盘＋反向捏合盘流道４．１．６．４剪切粘度场⑦错列角为６０。

的全正向捏合盘流搏图４—６七种流道的剪切速率场（ｓ－１）Ｆｉｇ４·６Ｓｈｅａｒ－ｒａｔｅｐｒｏｆｉｌｅｓ网４．７为这七种不同螺杆构型的流道的剪切粘度场。

图中的七种流道中，螺纹元件和捏合盘元件的螺棱顶部粘度值最小，而螺纹元件的螺槽根部和捏合盘元件螺旋流道的螺槽根部粘度值最大。

这是因为螺棱顶部与机筒内壁间隙很小，而该处速度梯度大，因此，该处产生的剪切速率很大，故粘度值较小：而螺槽部分ｊＣ泵＇晦大掌司｛±研冤生掌位论叉速度梯度要小，剪切速率也小，导致粘度在该处就比较大。

在这七种流道的稀度图中，各流道的最大秸度值相差不大，即物料在某些地方几乎没受到剪切。

所不唰的是最小剪切粘度。

最小剪切粘度越大，晚明剪切作用越差。

流道①的最小剪切粘度为２２１Ｐａ．ｓ。

流道⑦的最小剪切粘度为１９０Ｐａ．ｓ。

流道④的最小剪切粘度为１８０Ｐａ．ｓ，与流道①比起来，它由于加入了正向捏合盘元件，故它的剪切作用要好一些。

流道⑤的最小剪切粘度为１７０Ｐａ．ｓ，这是由于螺杆构型中加入的反向捏合盘元件中存在更大的剪切速率，因而该剪切作用更强一些。

流道②和流道⑥之间的最大粘度值以及它们之间的最小粘度相差不大，其中后者的最小粘度值要更小一些。

流道③的最小剪切粘度是最小的。

流道①的最小剪切粘度最大。

通过以上结果分析可知，物料在正向捏合盘元件中的剪切粘度要小于正向螺纹元件的剪切粘度，而反向捏合盘元件的剪切粘度又小于正向啮合盘元件的剪切粘度。

错列角为３０。

的捏合盘剪元件切速率要大于错列角为６００的捏合盘元件。

①全正向螺纹流道②全正向捏合盘流道③全反向捏合盘流道④正向螺纹＋正向捏合盘流道ｊｔ京化工大学面Ｅ士研究生掌位论文⑤正向螺纹＋反向捏合盘流道⑥正向捏合盘＋反向捏合盘流道４．１．６．５剪切应力场⑦错列角为６０。

的全正向捏合盘流道图４—７七种不同流道的剪切粘度场（Ｐａ·ｓ）Ｆｉｇ４－７Ｓｈｅａｒｖｉｓｃｏｓｉｔｙｐｒｏｆｉｌｅｓ图４—８为这七种流道的剪切应力场图。

单位为：ＭＰａ。

图中所示的七种流道中，螺纹元件和捏合盘元件的螺棱处剪切应力较大，螺棱顶部以及左右流道啮合区之间的剪切应力最大，而螺纹元件的螺槽根部和捏合盘元件螺槽根部剪切应力则相对较小。

这是因为螺棱项部的剪切速率大，因此剪切应力也大。

而螺槽处剪切速率小，故剪切应力也小。

同样的，在螺棱处捏合盘元件产生的最大剪切应力区域比螺纹元件的最大剪切应力区域要宽，这是因为捏合盘元件的螺棱比螺纹元件的螺棱要宽。

对比一下各流道在上述图中的最大剪切应力。

从图中可以看到，流道①中的最大剪切应力在所有流道中是最小的，因此，全正向螺纹流道的剪切作用最差。

流道⑦的又要稍大一些。

这是由于该流道中正ｌ向捏合盘元件的加入，增强了剪切作用。

流道④与流道⑦差别不大，流道⑤与流道④相比，最大剪切应力则更大一些，这是由于反向捏合盘元件能提供更大的剪切应力。

流道②的最大剪切应力与流道⑤相差不大，流道⑥的最大剪切应力与之相比则又更高一些。

流道③的最大剪切应力在所有的组合流道中是最高的。

此结果与七种流道的剪切速率场是相互一１｛一ｊｔ京化工大掌硕士研究生学位论文⑦错列角为６０。

的全正向捏合盘流道图４．８七种流道的剪切应力场（Ｐａ）Ｆ培４—８ｓｈｅａｒ－ｓ廿℃ｓｓｐｒ０６１ｅＳ４．１．７结果后处理及其分析为了将这七种流道流场分析的结果清楚地表达出来，本小节将把ＰＯｎＴＬＯＷ的求解结果进行后处理，以沿挤出方向展开的方式进行表述。

图４．９是啮合同向双螺杆挤出过程的螺杆机筒的几何关系图。

图中Ａ、Ｂ相位为左右流道中相互对应的位置，Ｃ相位在左右流道交界处正下方，这三个相位离机筒内壁均为Ｏ．１ｍｍ。

轴向压力、剪切粘度和剪切速率在左右流道和啮合区沿挤出方向的分布图均由这三相位沿轴向上展开。

对七种流道分布混合性能的分析主要是考察各流道中分布混合系数的大小。

挤出方向上的分布混合系数是垂直于螺杆轴线的横截面上的加权平均回流量除以该横截面上的净流量所得。

挤出方向上的平均剪切应力分布是流道中垂直于螺杆轴线的横截面上的加权平均剪切应力分布。

同时在进行结果后处理时，为了消除模拟计算时的边界效应，在流道的入口和出口分别除去了５ｍｍ的距离，因此，在实际的结果讨论中，所分析的流道只有ｎｏｍｍ的距离。

瑟‘Ｙｏ涨辽处图４—９螺杆机筒关系图Ｆ１９４—９Ｔｈｅｒｅｌａ￡啪ｓｈｉｐｏｆｓｃｒｅｗｓ＆ｂａｒｒｅｌ。