双螺杆挤出机齿型螺纹元件三维流场分析.pdf

第37卷第3期
石油化工设
Vol 37 No.3
2008年5月
PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT
May 2008
文章编号:1000-7466(2008)03-0037-03
双螺杄挤出机齿型螺纹元件三维流场分析
刘峰,朱向哲
辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001)
摘要:齿型元件是啮合异向双螺杆常用的混合元件。利用 ANSYS有限元分析软件对异向旋转齿
型元件进行了三维等温非牛顿流场分析,讨论了齿型元件齿数对质量流量和回流量的影响。结果
表明,齿型元件具有較强的分流能力和分布性混合能力,但分散性混合能力较弱。
关键词:反应器;双螺杆;齿型元件;流场分析
中图分类号:TQ051.71
文献标志码:A
3D Flow Field Analysis of Dentiform Element in a Twin Screw Extruder
LIU Feng, ZHU Xiang-zhe
(School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Fushun 113001, China
Abstract Dentiform element is a frequently-used mixed component in intermeshing counter-ro
tating twin screw. Three-dimensional isothermal non-newtonian flow field analysis of counter-ro
tating dentiform element is analyzed by the soft of ANSYS. The number of tine affects to quantity
of reflux and flow rate is discussed. The numerical results show that dentiform element has great
diffluent and distributivity-mixed ability, but disperse-mixed ability is weak.
Key words reactor; twin-screw; dentiform element; flow field analysis
啮合异向旋转双螺杆挤出机是一种重要的双螺
理论模型
杆挤出设备,被广泛地应用于塑料挤出成型和配料
造粒等方面。在啮合异向旋转的双螺杆混合段中引
1有限元模型
入齿型元件,不但生产出的产品质量优良,而且能耗
根据齿型元件的真实三维尺寸,以及成对使用
较低,混合效果显著。齿型元件是一种类似于齿轮的左右旋向齿型元件的安装位置,利用 ANSYS中
的混合元件,其齿为斜齿,有左旋和右旋之分,成对的APDL.程序建立了齿型元件的实体模型,见图1。
使用。由于双螺杆几何结构复杂,高粘度物料在该流道模型包括两齿型元件的径向间隙、齿型元件
双螺杆流道中的流动情况亦非常复杂,很难用解析与机筒的径向问隙以及四面体间隙,其齿型数为8,
法求解。笔者应用有限单元法,利用试验中所用齿齿型元件外径为34mm,根径为26mm,导程为
型元件的真实尺寸建立三维模型,采用等温非牛顿150mm,两齿型元件的中心距为34.2mm,机筒内
模型,利用 ANSYS软件进行流场分析,详细讨论了径为34.6mm,计算段流道长度为90mm。对几何
压力场、速度场、轴向压差、螺杆转速以及齿型数对模型采用3 DFLUID142的四面体单元进行网格划
挤出量和回流量的影响,以期对组合式分段啮合双分,得到如图2所示的有限元模型,其中网格数为
螺杵反应器的优化设计提供一定的理论指导。
529211个,结点数111213个
收稿日期:2007-12-28
作者简介:刘蜂(1973-),男,溯北黄网人,讲师,硕土,主要从事石油化工设备的设计和教学工作。
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石油化工设备
2008年第37卷
道压力分布很有规律,即压力值沿物料的挤出方向
逐渐增大,且左、右流道压力为轴向对称分布,而相
邻齿型元件螺槽压力分布并不相同,压力的变化都
是沿螺槽方向,此齿型元件的聚合物嫆体的压力主
要是沿螺槽方向逐渐升高的
图1齿型元件几何模型
图3分析段宏观压力场
为了更清楚地了解齿型元件的压力分布情况,给
图2流道有限元模型
出了x=60mm处截面压力分布,见图4。可以看到
1.2本构方程
齿型元件的压力分布和常规螺纹元件有所不同?,啮
假设流道内流体为牛顿流体,流场为等温、稳定合区压力梯度变化和左右流道的螺棱、螺槽区压力差
流场。雷诺数较小,为层流流动。惯性力、重力等体变化相同,压力梯度变化主要发生在螺凌和螺槽的交
积力远小于粘滞力,忽略不计。流体为不可压缩流界处,啮合区并没有出现较大的压力梯度
体,流道壁面无滑移。由此得流体的基本方程2
连续方程
Vv=0
动量方程
Vp=Vt
(2
本构方程
で=27
式中,V为哈米尔顿算子;为速度矢量,m/s;p为静
图4x=40mm截面压力分布
压力,Pa;で为切应力张量;g为表观粘度,Pa?S;y2.2速度场
为剪切速率,1/s。采用的物料为抚顺石化公司生产
分析段宏观速度场见图5。由图可以看到,机
的PP料粒,根据PP料粒在170℃的流变曲线计算筒内壁的物料速度值最小,螺棱顶端物料的速度值
出该温度下物性密度为775kg/m3嫆体粘稠度m=最大,在螺棱处的速度明显大于在螺槽中的速度。
3802Pa?s,幂律指数n=0,4。
1.3边界条件
按实际运转条件及边界无滑移条件假设给出速
度边界条件,即机筒内壁速度b)=0,螺杆外表面
速度v(r)=2rN,r,其中螺杆转数N。=60r/min
压力边界条件采用计算域两段的压力差△か=p
式中,为出口端面压力,p2为入口端面压力
由于进、出口压力边界条件并不是真实的压力分布
情况,为减小误差,取流道中间段为流体发展段。
图5分析段宏观速度场
轴截面啮合区速度矢量图见图6,图中矢量箭
2数值模拟结果及分析
头与速度值成正比。可以看出,在2个不同位置的
2.1压力场
啮合区中,两齿型元件间没有物料向另一齿型元件
分析段宏观压力场见图3。由图3可知整个流流动的趋势,说明物料在啮合区的混合效果较差,由