啮合同向双螺杆挤出机普通螺纹元件末端共混物的混合形态——Ⅰ．物料三维流动路径的计算

啮 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 向双螺杆挤出机普通螺纹元件末端共混物的混合形态——Ⅰ．物料三维流动路径的计算 啮合同向双螺杆挤出机普通螺纹元件末端共混物的混合形态——?(物料三维流动路 径的计算 加I?虚合成橡胶工业,2005—05—15,28(3):183,186CHINASYNTHETICRUBBERINDUSTRY 啮合同向双螺杆挤出机普通螺纹元件 末端共混物的混合形态 I.物料三维流动路径的计算 杨海波,童玉清,张立群 (1.北京化工大学材料科学与工程学院,北京100029; 2.深圳职业技术学院先进制造技术与工程系,广东深圳518055) 摘要:用有限元方法对啮合同向双螺杆挤出机的螺纹元件流场进行了三维等温非牛顿模拟分析,根 据流场分析所得到的速度场,通过编程计算得到了物料在啮合同向双螺杆挤出机螺纹元件中的三维流 动路径.结果表明,由于存在着轴向回流,部分物料不能流出元件出口,而是从元件入口返流;物料在元 件中的运动轨迹不尽相同,有的物料微元在整个流动过程中都围绕着2根螺杆以螺旋""形向前运 动,有的物料微元在流动过程中时而围绕1根螺杆连续旋转,时而围绕2根螺杆以螺旋""形向前运 动;在螺槽区,物料在螺槽的横截面内上下流动;回流物料微元数随着螺杆转速的增大,双螺杆挤出机产 量的减小而增大. 关键词:啮合同向双螺杆挤出机;螺纹元件;流场分析;三维流动路径 中图分类号:TQ330.4文献标识码:B文章编号:1000—1255(2005)03—0183—04 准确地用数值模拟共混物在啮合同向双螺杆 挤出机中混合形态的变化,不仅对啮合同向双螺 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. 共混物的黏度比,弹性,界面张力,所受到的 剪切力及拉伸力的大小,不同的受热条件对最终 分散相液滴的形状和大小都有影响?,前人已建 立了一些有关聚合物分散混合的初步模型,并结 合流场分析计算得到了双螺杆挤出机末端的分散 相液滴的平均直径及其分布'.但是由于双螺 杆挤出机的流场分析比较复杂,已有的研究在进 行流场分析时都是通过对流场几何形状的简化而 得到了流场参数的解析解,并进一步求得整个流 场的平均剪切速率,平均剪切应力和平均总应变, 结合分散模型最终求得共混物的混合形态,很显 然这样的求解方法存在着很大的误差. 本工作利用物料的三维流动路径,计算共混 物在啮合同向双螺杆挤出机的螺纹元件出口的形 态,即共混物中分散相尺寸的大小及分布,同时介 绍了螺纹元件中的流场分析,求解物料在其中的 三维流动路径的计算方法和结果. 1三维流场分析 1.1原材料 共混物熔体的连续相为聚苯乙烯(PS),分散 相为高密度聚乙烯(HDPE).当加工温度为 200oC,剪切速率为10,100S时,PS和HDPE 的黏度为7.5,12.0kPa?s,幂律指数为0.30, 0.43,HDPE的体积分数为5%.因为分散相的 体积分数很小,可以假设分散相不影响连续相的 流动,所以在进行流场分析时,螺纹元件中的流动 为连续相的流动. 1.2几何模型 所建立的螺纹元件的几何模型如图1所示. 收稿日期:2004—10—17;修订日期:2005—01—10. 作者简介:杨海波(1976一),男,博士研究生. 基金项目:北京市自然科学基金资助项目(2031001). 通讯联系人. ? 184?合成橡胶工业第28卷 对螺纹元件的流场分析是在没有对流道几何形状 做任何简化的情况下进行的.流道是由长度为 120mm,头数为2,导程为30mm的左右螺纹元 件及机筒内壁构成的,其中包括了两螺杆的啮合 区.螺杆外径为34.0mm,机筒内径为34.6mm. 螺杆螺棱顶与机筒内壁的间隙及一螺杆螺棱顶与 另一螺杆螺槽底的间隙均为0.3mm,两螺杆的中 心距为30mm. 为了计算和分析方便,并且结合物料的实际 流动情况,做如下假设:(1)流体为幂律流体, 采用幂律流体的本构方程;(2)流场为稳定流 场,即流场分布和时间无关;(3)流场为等温流 场;(4)流场的雷诺数较小,可以认为流体为层 流流动;(5)由于惯性力,质量等体积力远远小 于黏滞力,可以忽略不计;(6)流体为不可压缩 流体;(7)流道壁面无滑移. 1.3 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 模型 因为流体为等温层流不可压缩的幂律流体, 所以此处不考虑能量方程,只是求解连续性方 程和运动方程,本构方程采用幂律流体的本 构方程. 1.4边界条件 按照双螺杆挤出机的实际运转条件及边界无 滑移假设,给出流道的速度边界,即机简边界速度 为0.螺杆表面速度按照角速度与螺杆表面半径 的乘积给定.因为不可能预先给定螺纹元件流道 出口和入口截面的速度分布,故用这2个截面的 压力差作为压力边界. 1.5计算过程 使用有限元软件Ansys进行计算,采用的单 元为Element142,这是1个线性六面体单元. Ansys软件作为后台程序通过使用C语言编写的 程序调用执行,网格的划分,边界条件的施加以及 求解参数的设置都在c语言编写的程序中完成, 在程序调用的Ansys计算结束之后,利用Ansys 的分析结果求得物料的三维流动路径.这种方法 可以灵活地控制生成的单元数量和施加不同的边 界条件.计算中划分的单元数为70560,节点数 为87120. 2物料流动路径的计算方法 在流体微元的位置坐标(,Y,z)和速度(") 之间存在如下的关系: dx/dt=(,Y,.), dy/dt,(,y,.),(1) dz/dt:(,Y,:), 式中:,,分别表示,Y,方向上的流体速 率;t为时间. 通过有限元方法求解得到了流场中的每一个 节点的速度,计算流体流动路径时以流道入口截 面的1个节点作为流体微元的起始点,因为入口 截面节点的速度是已知的,所以通过式(1)就可 以得到流体微元经过积分时间步长后的位置. 的坐标(,Y,z).为了得到比较精确的流动路径, 计算式(1)时采用Rung—Kutta法.利用这个 坐标(,Y,)判断流体微元位置.所在的单元 体,其每个节点的坐标和速度是已知的,点M.(, Y,)的速度由单元体的各个节点的速度插值而 得. 在得到了点.(,Y,)的速度之后,利用上 面相同的方法迭代可以得到流体微元在每次迭代 后的位置:,,,…,依此类推,直到流体微元到 达流道出口为止.连接各时间步长后的位置点就 得到了1个流体微元的流动路径.对流道入口的 任一节点处的流体微元,采用相同的计算方法则 可以得到任一个节点处的流体微元的三维流动路 径 3结果与讨论 流场分析求得流场的速度分布之后,确定时 间步长,根据上面所介绍的算法编写程序,就可以 得到螺纹元件入口截面上的每个节点处的流体微 元的三维流动路径.因为在入口截面上网格划分 比较细,节点比较多,节点之问的距离非常小,所 第3期杨海波等.啮合同向双螺杆挤出机普通螺纹元件末端共混物的混合形态 (I).185? 以可以用得到的流体微元的三维流动路径来代表 所有流入螺纹元件入口物料的流动路径. 计算结果表明,流入螺纹元件中,物料的流动 轨迹不尽相同,有的物料能比较顺利地到达元件 出口,有的则不能;由于流动轨迹不同,不同物料 在同一元件中所经历的形变,热历程及分散混合, 分布混合的作用都不同. 3.1流出螺纹元件出口的流体微元的流动路径 图2列出的是能够流出螺纹元件出口的流体 微元的3种流动路径.由图2可以看出,有的流 r\ 加 磷 \ \ 体微元在整个流动过程中都围绕2根螺杆沿着螺 旋".."形通道前进(见图2a),这种流动是比较 规整的.有的流体微元经过啮合区时,有时并不 进入另一根螺杆的螺槽,而是继续围绕原来的螺 杆向前流动(见图2b).有的流体微元则在左右 2根螺杆上都发生连续旋转(见图2c),这与一些 学者的预测结果不一致.实际上,由于双螺杆 挤出机流道几何形状的复杂性,不经过精确的 理论计算,一般很难预测出物料在其中的运动 轨迹. b Ou 3.2回流到螺纹元件入口的流体微元的流动路 径 从螺纹元件入口流入的物料中,有部分并不 能到达螺纹元件的出口,而是又从螺纹元件的入 口回流出去.这是因为螺纹元件中存在着轴向回 流.有的流体微元只绕行1根螺杆1圈就回流到 螺纹元件的入口,有的流体微元绕行2根螺杆1 圈后才回流出去,而有的流体微元则在2根螺杆 上绕行多圈后,最终回流到螺纹元件的入口.物 料的轴向回流有利于其混合效果的提高…. 3.3物料在螺槽区内的流动 如图3所示,考察流体微元流过2根螺杆的 E若 三墨 至l u 薹l Fig3Depthdevelopmentofaparticlewhen flowingin$cFewchannel 螺槽区时在螺槽横截面内高度的变化,就可以发 现流体微元在螺槽区的流道横截面内存在着类似 于单螺杆挤出机流场中存在的上下流动(图中的 间断部分为流体微元流过啮合区的时间段),这 种运动有利于物料的分布混合. 3.4回流流体微元个数与螺杆转速和双螺杆挤 出机产量的关系 这里所说的双螺杆挤出机产量为物料在螺纹 元件中的质量流量,由流场分析所得到的速度场 通过编程计算而得.因为假设流道是充满的,对 流道横截面内的轴向速度进行积分,可求得双螺 杆挤出机产量,计算如下: Q=p.ds,(2) 式中:Q为双螺杆挤出机产量;p为物料密度;s为 流道横截面面积. 回流到螺纹元件入口的流体微元的个数受 到螺杆转速和双螺杆挤出机产量的影响,它们 之间的关系见图4.由图4可以看出,在相同 的螺杆转速下,回流到螺纹元件入口的流体微 元的个数随着双螺杆挤出机产量的增加而减 小.在相同双螺杆挤出机产量下,回流到螺纹 元件入口的流体微元的个数随着螺杆转速的 增加而增加. ?l86?合成橡胶工业第28卷 660 620 580 540 500 460 481216204080120160200240 Outputoftwinscrewextruder/(kg?h-t)Screwrotationspeed/(r?min) Fig4Effectofscrewrotationspeedandoutputoftwinscrewextruderonnumberofparticleflo wingbacktoinlet 4结论 a)在啮合同向双螺杆挤出机中,物料并不总 是绕2根螺杆沿着螺旋"?"形通道运动至螺纹 元件的出口.进入啮合区的物料有时会绕同一根 螺杆继续前进,有时会进入另一根螺杆的螺槽绕 另一根螺杆继续前进. b)当流过2根螺杆螺槽区时,物料在螺槽的 横截面内上下运动. C)回流物料微元个数随着螺杆转速的减小, 双螺杆挤出机产量的增加而减小. 参考文献: 1TodDB.Plasticscompoundingequipmentandprocessing[M] Munich:HanserPublishers,1998 2HuneauhMA,ChampagneMF,LucianA.Polymerblendmix- inganddispersioninthekneadingsectionofatwinscrewextruder [J].PolymEngngSci,1996,36(12):1694 3HuneauhMA,ShiZH,UtrackiLA.Developmentofpolymer blendmorphologyduringcompoundinginatwinscrewextruder [J].PolymEngngSci,1995,35(1):115 4塔德莫尔z,戈戈斯CG着.聚合物加工原理[M].耿孝正 译.北京:化学工业出版社,1990 5邓建中,葛仁杰,程正兴.计算方法[M].陕西:西安交通大学 出版社,2000 6王氍成,邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].北京: 清华大学出版社,1997 7耿孝正,张沛.塑料混合及设备[M].北京:中国轻工业出版 社,1998 Blendmorphologyofpolymeratoutletofcommonscrewelementinan intermeshingCO-rotatingtwinscrewextruder I.Computationofthree—dimensionalparticletrajectories YangHaibo,TongYuqing,ZhangLiqun (1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BengUniversityofChemical Technology,Beo'ing100029,China;2.DepartmentofAdvancedManufactureTechnology andEngineering,ShenzhenPolytechnicCollege,Shenzhen518055,China) Abstract:Three-dimensionalnon—Newtonianisothermal flowfieldsofthecommonscrewelementwereanalyzedwith establishinggeometricmodelsusingtherealgeometryofbar— relandscrews.Accordingtothevelocityprofileofflowfields, thethree??dimensionalparticletrajectoriesinthescrewele-- mentswereobtainedbywritingprogram.Theresultsshowed thatsomefluidparticlescouldnotflowoutfromtheoutletof thescrewelement,butflowbacktotheinletbecauseofthe existingofthebackflow.Thefluidparticletrajectorieswere different:somefluidparticlesflowedaroundthetwoscrew alongthespiralpathuntilitreachedtheoutlet.Somefluid particlessometimescontinuedtoflowforwardaroundthesame screw.sometimesflowedintotheotherscrewchannelwhen theyflowingacrossnipregion.ThereWasup—downmotionof thefluidparticleswhenflowingacrossthescrewchannelre— gion.Thenumberoftheback—flowingfluidparticlesincreased whentherotationspeedofthescrewincreasedandtheoutput oftwinscrewextruderdecreased. Keywords:intermeshingCO—rotatingtwinscrewextruder; screwelement;flowfieldanalysis;three—dimensionaltrajectory _dl_JIlIJ?0(1旨I1Z