帶有開槽中性捏合塊和反向螺紋雙螺桿擠出機的三維流場分析

郭樹國，于 淼，王麗艷，湯霖森，韓彥林

(沈陽化工大學 機械與動力工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

豆粕是大豆加工后所獲得的一種副產品，含有大量的植物蛋白，是飼料加工行業(yè)的主要原料之一.目前,常用的豆粕加工技術為擠壓膨化技術，而擠壓膨化技術主要通過螺桿擠出機得以實現(xiàn)[1].近年來，常用的螺桿擠出機為雙螺桿擠出機.同時，雙螺桿擠出機被應用于眾多領域，如：制藥、陶瓷、化工、機械制造、電子加工等領域[2-5].但是，隨著飼料行業(yè)的發(fā)展,對產品質量的要求不斷提高，普通雙螺桿擠出機的混合性能已經不能滿足企業(yè)對產品質量的要求.因此,需要在普通螺桿上加入剪切混合元件.開槽中性捏合塊和反向螺紋具有較強的剪切能力和良好的混合性能[6-7].為了增強混合分布性能，獲得更好的混合效果，本文在普通雙螺桿的基礎上添加了開槽中性捏合塊和反向螺紋.因此，本文以帶有開槽中性捏合塊和反向螺紋的嚙合同向雙螺桿元件作為實驗對象，以黏性流體力學作為理論基礎，以ANSYS作為分析平臺，對組合雙螺桿的流場進行數(shù)值模擬[8-10]，得到其宏觀壓力場、宏觀速度場以及捏合盤、反向螺紋區(qū)域的特性，并與普通雙螺桿進行對比，為組合雙螺桿擠出機的優(yōu)化設計提供了一定的理論基礎.

1 流場分析的理論模型及參數(shù)

1.1 三維模型

利用Solidworks軟件建立組合雙螺桿元件的三維模型，三維模型的各部分參數(shù)如下：(1)常規(guī)螺紋元件長度為50 mm，螺桿外徑為 50 mm，根徑為30 mm，螺距為20 mm；(2)開槽中性嚙合塊厚度為5 mm，外圓直徑為50 mm，個數(shù)為 10個，相鄰兩個捏合盤之間的轉動角度為90°,且相鄰兩個捏合盤之間用直徑為30 mm、長度為1 mm的圓柱元件進行連接，此段的總長度為59 mm；(3)反向螺紋元件，除方向外其余參數(shù)與常規(guī)螺紋元件相同；(4)常規(guī)螺紋元件，其參數(shù)與第一段常規(guī)螺紋元件相同；(5)兩螺桿的中心距為44 mm;(6)機筒的厚度為2 mm，其與螺桿的距離為2 mm.圖1為組合雙螺桿的三維模型，圖2為開槽中性捏合塊的三維模型.

圖1 組合雙螺桿的幾何模型Fig.1 Geometric model of combined twin screw

圖2 開槽中性捏合塊的幾何模型Fig.2 Geometric model of slotted neutral kneading block

在workbench Geometry中對機筒進行填充，將獲得的實體與雙螺桿進行布爾操作，得到流道模型.將得到的模型導入mesh中進行四面體網格劃分.劃分完成后的組合雙螺桿流道有限元模型如圖3所示，其中包含133 821個節(jié)點，603 059元素.

圖3 組合雙螺桿流道有限元模型Fig.3 Finite element model of combined twin screw runner

1.2 工況條件假設

采用豆粕作為實驗物料，豆粕為冪律流體中的膨脹流體，主要參數(shù)為：密度2 112 kg/m3，黏度1 930 Pa·s，恒定溫度80 ℃[11].為了方便對流場進行模擬，根據(jù)相關理論條件對流場進行以下假設：流體不可壓縮且完全充滿流道，流場為等溫層流狀態(tài)，機筒內壁與螺桿表面均無滑移[12].

1.3 邊界條件

根據(jù)擠出機的實際工作條件及邊界無滑移的假設給出邊界條件：

(1)進口速度為0.05 m/s，出口壓力為0.5 MPa；

(2)螺桿的轉速為120 r/min；

(3)螺桿與機筒表面均無滑移且機筒速度設置為0.

根據(jù)上述假設工況條件，忽略慣性力、重力等體積力，其黏性流體的連續(xù)方程為[13]

(1)

式中：V速度矢量，m/s；Vx、Vy、Vz分別是x、y、z軸上的速度分量，m/s.

根據(jù)牛頓第二定律得到運動方程為：

(2)

式中：p靜壓力，Pa；τij直角坐標系下剪切應力分量，其中i、j分別為x、y、z.

本構方程為

(3)

式中：γ為剪切速率，s-1；m為物料的黏度，Pa·s；n冪律指數(shù).

將式(1)、(2)、(3)進行聯(lián)立，得到流域的壓力場和速度場.

2 模擬計算及分析

2.1 宏觀壓力場的分析

宏觀壓力場作為流體分析的重要指標之一，能夠充分地反映螺桿的建壓性能以及物料的擠出速度.圖4為流場的宏觀壓力圖，其中圖4(a)為普通雙螺桿流場的宏觀壓力圖，圖4(b)為組合雙螺桿流場的宏觀壓力圖.圖中左側為進料口，右側為出料口.從圖4中可以看出：無論是普通雙螺桿還是組合雙螺桿，其壓力都沿著物料的擠出方向逐漸增大，并在出料口達到最大.

圖4 流道宏觀壓力場Fig.4 Macro pressure field of flow passage

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，普通雙螺桿的建壓呈現(xiàn)一定的規(guī)則性，各段壓力變化區(qū)域大小相近且邊界整齊，幾乎沒有回流產生.而組合雙螺桿由于開槽中性捏合塊和反向螺紋的存在,使得壓力變化區(qū)域大小不同且邊界出現(xiàn)波動，使得物料在流道內產生回流.同時，與普通雙螺桿相比，組合螺桿的建壓能力差，建壓分散，流速較低，從而提高了混合分布性能.

為了更好地觀察流道軸向壓力的分布，取Z=0的XY平面.圖5(a)為普通雙螺桿的流道軸向壓力分布，圖5(b)為組合雙螺桿的流道軸向壓力分布.通過觀察發(fā)現(xiàn):開槽中性捏合塊與普通螺紋相比，開槽中性捏合塊兩端的壓差較小，建壓能力較弱，增加了豆粕在這一區(qū)域的停留時間;同時組合螺桿中由于反向螺紋的存在，在擠出機中產生背壓區(qū)域，阻礙了豆粕的輸送，使其回流量增多，增加了分散混合的時間，提高了混合的質量.

圖5 螺桿流道壓力軸向分布Fig.5 Axial pressure distribution of screw passage

2.2 宏觀速度場的分析

流體分析的另一重要指標為流體流線，它能夠反映出流體的流動軌跡以及流體的分布.圖6(a)為普通螺桿的速度流線圖，圖6(b)為組合螺桿的速度流線圖.從圖6中可以看出:物料在經過普通雙螺桿時，其速度流線是連續(xù)無間斷的且各流線之間無干擾現(xiàn)象，從而使物料不能充分混合，不利于產品質量的提高;而物料在經過組合螺桿時，開槽中性捏合塊對流線產生干擾，受到較大的剪切力，使流線中斷，打破了層流狀態(tài)，同時流速驟然降低.與前兩段區(qū)域相比，反向螺紋產生反方向的剪切力，改變了在這一區(qū)域物料的流動方向，使得物料在擠出機中的停留時間增長，提高了分散混合性能，使其進行充分的混合.

圖6 流道的速度流線圖Fig.6 Velocity streamline of flow passage

為了更好地觀察豆粕在開槽中性捏合塊中的流動情況，將組合雙螺桿的開槽中性捏合塊的的速度矢量圖局部放大,如圖7所示.可以明顯地看到此處豆粕流動雜亂無章，且一些箭頭指向與擠出方向相反，有回流產生，使得豆粕反復擠壓，獲得較高的混合質量.

圖7 開槽中性捏合塊速度矢量圖的局部放大Fig.7 Local enlarged velocity vector of slotted neutral kneading block

為了更好地比較普通螺紋與捏合塊的混合能力，此處分別截取了Y=120 mm(捏合塊區(qū)域)與Y=190 mm(普通螺紋區(qū)域)截面處的速度分布，如圖8所示.從圖8中可以看出:普通螺桿處的最大速度為1.9 m/s，而捏合塊區(qū)域最大的速度為1.2 m/s.因此,得出捏合塊區(qū)域的速度小于普通螺紋區(qū)域，增加了豆粕在此區(qū)域的停留時間.同時，捏合塊區(qū)域的速度變化劇烈，產生的剪切力較大.因此，與普通螺紋相比，捏合塊的分散混合能力更強.

圖8 不同截面的速度分布Fig.8 Velocity distribution in different sections

3 結 論

運用ANSYS中的流體分析軟件CFX對帶有開槽中性捏合塊和反向螺紋的組合雙螺桿擠出機的流動特性進行研究，并與普通雙螺桿擠出機進行對比，得到以下結論：

(1) 開槽中性捏合塊產生的剪切力較大，打亂原有的速度流線，破壞了層流狀態(tài).同時開槽中性捏合塊的建壓能力較弱，降低物料流速，使其在擠出機中的停留時間增加，能夠進行更加充分的混合.

(2) 開槽中性捏合塊與反向螺紋都能夠增加擠出機中的回流量，從而使豆粕進行反復擠壓，提高了分散混合性能.