往復式單螺桿擠出機混煉性能的數值模擬研究

郭少龍，董奇，畢超，劉倩楠

(1.北京化工大學機電工程學院，北京 100029；2.中國寰球工程公司，北京 100012)

往復式單螺桿擠出機混煉性能的數值模擬研究

Numerical Simulation of mixing performance for reciprocating single screw extruder

郭少龍1，董奇2，畢超1，劉倩楠1

(1.北京化工大學機電工程學院，北京 100029；2.中國寰球工程公司，北京 100012)

通過采用帶有周期性邊界的二維模型，研究了Buss機流場內的流動特性，并分析了工藝參數對Buss機混煉元件分散混合性能的影響，以及幾何參數對混煉元件幾何構型的影響，并借用粒徑變化和最大拉伸長度為評價指標，揭示了幾何參數對Buss機混煉元件分散混合性能的影響。

擠出機；單螺桿；混煉；數據模擬

往復式單螺桿銷釘擠出機作為一種特殊的混煉裝備，在聚合物加工領域中受到越來越多的重視。自從1945年，往復式單螺桿銷釘擠出機問世以來，其技術一直被德國Buss公司和美國B&P公司壟斷。我國的江陰、煙臺、南京等地的一些公司近些年也開始涉足這類裝備。北京化工大學從21世紀初先后研發了WXJ45、WXJ140兩款往復式單螺桿銷釘擠出機，并在國內率先開始了這類裝備的混煉機理和設計原理方面的研究，但是目前缺少對該類設備分散混合性能的系統研究。國內對往復式單螺桿銷釘擠出機的創新也處于剛開始階段，國內生產的往復式單螺桿銷釘擠出機在加工性能方面與德國Buss公司、美國B&P公司存在很大差距。

1 數值模擬模型的確定

1.1 幾何模型、網格劃分及流場邊界條件

二維螺棱采用三角形網格進行劃分，網格總數為3 064，如圖1所示。二維流場采用四邊形網格進行劃分，總網格數為5 248，如圖2所示。

圖1 二維螺棱模型及網格劃分

圖2 二維流場模型、網格劃分及流場邊界條件

1.2 基本假設

（1）壁面無滑移；

（2）忽略重力和慣性力的影響；

（3）物料在流場內的流動為黏性、定常、全展的二維流動；

（4）物料在流動過程中與外界沒有熱交換。

2 結果與分析

2.1 螺桿轉速對混煉元件分散混合性能的影響

圖3為不同螺桿轉速下流場內剪切應力的分布。為了更好的比較不同轉速下流場區域內剪切應力的分布情況，把不同轉速下剪切應力調色表的最大值分別從0.39 MPa、0.75 MPa和1.04 MPa降為0.39 MPa，這樣可以通過各顏色所占面積的大小來評價流場內剪切應力的分布。

從圖3可得，隨著螺桿轉速的提高，流場區域內高剪切應力所占的比例上升，高剪切應力區域出現在銷釘與螺棱之間的間隙，區域內剪切應力的最大值隨著螺桿轉速的增加而增大。高剪切應力區的面積越大，物料經歷高剪切應力區域的概率越大，并且轉速越高，單位時間內螺棱和銷釘的相互作用次數增加，產生高剪切應力區域的次數增加，同樣有利于物料經歷高剪切應力區域。利用物料在流場內經歷的最大剪切應力來驗證物料經歷高剪切應力區的概率。在流場的出口統計加工過程中物料經歷的最大剪切應力，不同轉速下物料經歷最大剪切應力的概率密度分布如圖4所示。

圖3 流場內剪切應力的分布

圖4 加工過程中物料經歷最大剪切應力的概率密度分布

隨著螺桿轉速的增加，最大剪切應力的分布曲線向右移動，曲線的峰值隨著轉速的增加而降低，同時曲線分布隨著轉速的增加而變寬，說明隨著螺桿轉速的增加，物料經歷的最大剪切應力增加。高剪切應力區的面積增加，物料經歷高剪切應力區域的概率增加。

初始時刻，在距離流場入口5 mm處放置粒徑處于280～300 μm正態分布的N234炭黑，在出口處統計加工過后最終的粒徑分布。圖5給出了物料加工后粒徑的概率密度分布。從圖5可以看出，粒徑概率密度曲線的峰值隨著螺桿轉速的增加向左移動并且峰值對應的縱坐標增加，同時曲線隨著轉速的增加分布變窄，曲線左端的小粒徑的數量隨著轉速的增加而增加。說明加工后物料的粒徑隨著轉速的增加而減小，螺桿轉速的增加有利于少組分粒徑的減小。剪切應力是影響少組分粒徑的主要因素，由上述分析可知，隨著螺桿轉速的增加，流場內的剪切應力水平提高。同時示蹤粒子炭黑的最終粒徑也隨著螺桿轉速的增加而減小，說明螺桿轉速的增加有利于提高混煉元件的分散混合性能。

圖5 不同螺桿轉速下炭黑團聚體的粒徑分布

2.2 喂料速率對混煉元件分散混合性能的影響

圖6為不同喂料速率下，流場內剪切應力的分布情況。為了更好的比較不同喂料速率下流場區域內剪切應力的分布情況，把不同喂料速率下，剪切應力調色表的最大值分別從0.369 5 MPa、0.369 1 MPa和0.368 7 MPa降為0.368 7 MPa，可以通過各顏色所占面積的大小來評價流場內剪切應力的分布。從圖中可以看出，不同喂料速率下，流場內的剪切應力分布基本一致。從圖中可以看出，高剪切應力區域出現在銷釘與螺棱之間的間隙。用物料在流場內經歷的最大剪切速率來驗證物料經歷高剪切應力區的概率。在流場的出口統計加工過程中物料經歷的最大剪切應力。不同喂料速率下，物料經歷最大剪切應力的平均值見表1。從平均值可以看出，隨著喂料速率的增加，物料經歷的最大剪切應力變小，說明物料經歷高剪切區的概率減小。主要因為喂料速率增加，物料在流場內的停留時間變短（見表1），經歷高剪切區的概率就會變小。

圖6 流場內剪切應力的分布

表1 加工過程中炭黑經歷各參數的平均值

圖7 不同喂料速率下炭黑團聚體的粒徑分布

圖7給出了物料加工后粒徑的概率密度分布。從圖7可以看出，粒徑概率密度曲線的峰值隨著喂料速率的增加向右移動并且峰值對應的縱坐標增加，同時曲線隨著喂料速率的增加分布變窄，曲線左端的小粒徑的數量隨著喂料速率的增加而減小。說明加工后物料的粒徑隨著喂料速率的增加而變大，平均粒徑如表1所示，喂料速率的增加不利于物料的分散混合。

加工過程中，物料經歷的最大剪切應力越大，物料最終的粒徑越小。從表1可以看出，隨著喂料速率的增加，物料經歷的最大剪切應力的平均值在減小，也就是說物料經歷的最大剪切應力的水平在降低，不利于物料粒徑的減小，混煉元件的分散混合能力降低。

3 結論

本文通過使用帶有周期性邊界的二維模型，分析了Buss機混煉元件（KE元件）內流體的流動特性，并研究了工藝參數和幾何參數對混煉元件分散混合性能的影響，可以得到以下結論：

（1）在混煉元件內存在分流和匯流現象，分流和匯流有利于物料的拉伸流動。流場內的最大剪切應力分布在螺棱和銷釘的最小間隙處，流場內的平均剪切應力隨著螺桿的旋轉呈現周期性變化。

（2）螺桿轉速的增加有利于降低物料的最終粒徑分布水平，有利于提高Buss機的分散混合性能。

（3）喂料速率的增加不利于提高Buss機的分散混合性能。

(XS-06)

TQ320.52

：1009-797X(2015)04-0036-04

BDOI:10.13520/j.cnki.rpte.2015.04.005

郭少龍（1988-），男，動力工程及工程熱物理專業，主要從事聚合物共混設備、塑料擠出機等研究工作。

2014-03-14