二階雙螺桿擠出機(jī)流場(chǎng)分析

摘 要：在階梯狀雙螺桿擠出機(jī)參數(shù)一定情況下，利用三維軟件建立實(shí)體模型，在ANSYS Workbench有限元軟件Fluent模塊中，分析階梯狀雙螺桿擠出機(jī)中熔融段速度分布、壓力分布、流體跡線分布的情況。

關(guān)鍵詞：雙螺桿擠出機(jī)；Fluent；熔融段；流場(chǎng)分析

引言

階梯狀雙螺桿擠出機(jī)設(shè)計(jì)是在同向平行雙螺桿擠出機(jī)的基礎(chǔ)提出的，對(duì)于二階雙螺桿擠出機(jī)，通過兩段根徑不同的螺桿和外徑不同的壁筒，兩擠出熔融段流場(chǎng)體積的減小，對(duì)物料起到了壓縮作用，能夠滿足對(duì)于物料壓縮的一定要求。

1 模型建立

二階雙螺桿擠出機(jī)模型：

文中分析的雙螺桿擠出部分中心距為150mm。兩段均采用矩形螺紋，螺桿長(zhǎng)均800mm，壁筒長(zhǎng)均800mm，螺棱寬20mm，螺棱高第一段46mm，第二段39mm，螺紋間距200mm，中間連接件圓臺(tái)高30mm，實(shí)際生產(chǎn)中，考慮到物料的流動(dòng)及加工裝配，螺紋與螺桿以及螺棱與壁筒間均有一定的間隙。

利用creo建立實(shí)體模型，圖1為雙螺桿結(jié)構(gòu)圖，圖2為雙螺桿擠出機(jī)裝配模型圖

2 網(wǎng)格劃分

2.1 流場(chǎng)的建立

流場(chǎng)的建立時(shí)，考慮的是物料完全充滿流場(chǎng)的情況，即壁筒與螺桿之間的間隙為整個(gè)流場(chǎng)，因此，可以認(rèn)為整個(gè)流場(chǎng)是三維實(shí)體模型，在三維軟件中做相減，得到流場(chǎng)模型，圖3為流場(chǎng)模型圖。

2.2 劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分對(duì)于流場(chǎng)分析是至關(guān)重要的，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響到最后結(jié)果能否收斂，是否精確，考慮到流場(chǎng)復(fù)雜性以及邊界網(wǎng)格質(zhì)量，采用ICEM劃分網(wǎng)格，以下為網(wǎng)格劃分模型。

圖4為三維模型導(dǎo)入ICEM后網(wǎng)格的劃分，圖5中可以看到邊界處有較好的邊界層。圖4中設(shè)置時(shí)，視圖左側(cè)直徑較大面設(shè)為流場(chǎng)進(jìn)口面“in”，右側(cè)直徑較小面設(shè)為流場(chǎng)出口面“out”，把外部整個(gè)壁筒部分設(shè)為“wall1”，流場(chǎng)與兩根螺桿接觸的部分可以分為三部分，一是螺桿表面與流場(chǎng)的接觸部分，二是流場(chǎng)與螺棱的接觸部分，三是流場(chǎng)與螺棱側(cè)面的接觸部分，因三部分是連續(xù)的面，故把每根螺桿與三部分接觸的部分設(shè)為一個(gè)面，圖4中視圖內(nèi)側(cè)的內(nèi)壁面設(shè)為“wall2”，外側(cè)的內(nèi)壁面設(shè)為“wall3”。

3 前處理設(shè)置

3.1 模型以及材料設(shè)置

流場(chǎng)為繞軸旋轉(zhuǎn)，選擇湍流模型。

階梯狀雙螺桿擠出機(jī)實(shí)際生產(chǎn)中，多用于塑料、食品加工等，這里采用聚丙烯材料，物料密度720kg/m3，比熱容1.9J/g·k，導(dǎo)熱率0.16w/m·k，粘度1070pa·s。

3.2 邊界條件的設(shè)置

實(shí)際生產(chǎn)中，外筒壁靜止，即貼近筒壁面的“wall1”速度為0。兩根螺桿繞軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速和方向均相同，進(jìn)口面視圖為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，采用速度差模型，進(jìn)口面“in”速度設(shè)為10m/s，出口面“out”速度設(shè)為0。導(dǎo)入fluent里后模型的軸向與Y軸一致，故可以設(shè)置兩根螺桿繞Y軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為150r/min，轉(zhuǎn)換成弧度為7.85rad/s，在x方向和z方向上速度均為0。

4 結(jié)果計(jì)算及分析

4.1 速度分布

對(duì)于速度矢量圖，顏色由藍(lán)色漸變?yōu)榧t色，表示速度矢量逐漸增大，由數(shù)學(xué)分析知，角速度相同時(shí)，半徑越大，線速度越大，從圖中可以看到沿著螺棱方向，速度矢量越來越大，圖7中顯示與實(shí)際情況相符。對(duì)于中間擠出段，兩螺桿均為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，左螺桿右壁面的速度向上，右螺桿左壁面的速度向下，兩者速度方向相反，因此嚙合段物料速度矢量較小，這與實(shí)際情況相符合。且左螺桿的左上方和右螺桿的右下方部分，速度矢量分別達(dá)到最大。

4.2 壓力分布比較

圖8和圖9均為中心距150mm的壓力圖像，圖9是圖8在垂直視圖平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)180度，視圖方向可以看到上側(cè)的螺桿和下側(cè)的有相似之處，圖8中上側(cè)的螺桿壓力比下側(cè)的大，圖9中上側(cè)的螺桿比下側(cè)的小，分析可以得出沿?cái)D出方向，壓力是逐漸增大的，沿螺棱方向，壓力同樣逐漸增大，二階段的壓力比一階段的壓力大，上側(cè)的螺桿和下側(cè)的螺桿分別在左上方和右下方壓力達(dá)到最大。

4.3 流體跡線分布

CFD-post后處理中，streamline能很好地反應(yīng)流場(chǎng)中流體跡線，進(jìn)而反應(yīng)出流體的混合效果。

圖10和圖11均為流體跡線圖像，圖中可以看出在流體跡線進(jìn)出口和中間階梯部分比較明顯，圖11說明尤其是中間階梯部分，跡線混亂度較高，說明流體流向越無規(guī)律，反應(yīng)到實(shí)際生產(chǎn)中說明對(duì)物料的混合作用越好。且二階段比一階段混合效果好。

5 結(jié)束語

（1）階梯狀雙螺桿擠出機(jī)對(duì)物料有較好的壓縮作用，且有很好地混合作用。

（2）二階段比一階段對(duì)螺桿和螺紋的強(qiáng)度要求高。

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