新型偏心嚙合盤元件的混沌混合特性

沈美震，任建民，朱向哲，李萬旭

(1.遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧撫順 113001； 2.中國石油天然氣第八建設(shè)有限公司，遼寧撫順 113006)

嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)作為聚合物混合和加工的主要設(shè)備之一，一直以來都憑借其良好的混合特性和靈活簡便的結(jié)構(gòu)而被廣泛應(yīng)用[1–2]。聚合物加工行業(yè)的發(fā)展對(duì)傳統(tǒng)雙螺桿擠出機(jī)提出了更為嚴(yán)苛的要求，為了滿足產(chǎn)業(yè)需求，研究者需要在已有的基礎(chǔ)上進(jìn)行理論創(chuàng)新和構(gòu)型改造。

混沌混合理論是提高熔體混合效率的重要理論基礎(chǔ)之一[3]。誘發(fā)混沌混合有多重途徑，其主要有往復(fù)攪拌、變速攪拌和偏心攪拌等。偏心攪拌主要是對(duì)流道內(nèi)的空間配置進(jìn)行布局，具體則是針對(duì)螺棱形狀、大小和位置，螺棱與轉(zhuǎn)子根部到旋轉(zhuǎn)軸心距離的比值等，其直接目的便是使攪拌更加無序化，以便加快混沌混合這一過程[4]。M. M. Alvarez 等[5–6]研究了層流流動(dòng)下偏心攪拌的混合性能，指出偏心距的改變顯著影響層流流場。G. Ascanio 等[7]也對(duì)層流流動(dòng)下偏心攪拌的混合性能進(jìn)行了研究，指出在攪拌較高黏度流體時(shí)，偏心攪拌無論是對(duì)軸向混合能力還是周向混合能力都有較好的提升。

混沌混合較傳統(tǒng)的分散和分布混合機(jī)理有較大不同，但兩者又相輔相成。混沌混合的實(shí)質(zhì)為反復(fù)的拉伸和折疊[8]。混沌混合中拉伸的過程即產(chǎn)生拉伸流的過程，拉伸流有利于分散相的破裂從而提高分散混合能力[9]。轉(zhuǎn)子嚙合區(qū)剪切速率較大，此處存在雙曲不動(dòng)點(diǎn)，由于流體粒子運(yùn)動(dòng)空間有限，高剪切使其產(chǎn)生較為明顯的折疊效果，從而增強(qiáng)了混沌混合[10]。修正的李雅普諾夫指數(shù)是用來表示聚合物熔體在混合停留時(shí)間內(nèi)的平均拉伸應(yīng)變率，直接描述了雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混合機(jī)在混合過程中混沌混合行為和所經(jīng)歷的分布混合強(qiáng)度和大小，其指數(shù)值越大，拉伸應(yīng)變?cè)酱?，分布混合能力越?qiáng)，各組分在共混物中的均勻性和分散性越好，分散相組分在連續(xù)相中的分布越均勻[11]?？偟膩碚f，轉(zhuǎn)子具有較高的剪切和拉伸能力可以增強(qiáng)混沌混合的強(qiáng)度，而具有較高的周向和軸向混合能力則可以從側(cè)面反映出其具有較大體積的混沌混合區(qū)域。

基于上述理論對(duì)比了偏心圓嚙合盤元件與傳統(tǒng)雙頭嚙合盤元件后發(fā)現(xiàn)，偏心圓嚙合盤元件具有較好的混沌混合效果。筆者旨在對(duì)新型偏心圓嚙合盤元件的流動(dòng)特點(diǎn)和混合效果進(jìn)行分析，并通過改變錯(cuò)列角和偏心距，得出這兩種幾何參數(shù)對(duì)偏心圓嚙合盤元件混合特點(diǎn)與混合效率的影響。同時(shí)還比較了三種典型粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡和混合特性參數(shù)，為深入了解偏心攪拌提供了理論支持。

1 物理模型

1．1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

偏心圓嚙合盤造型較為簡單，生產(chǎn)工藝要求和造價(jià)較低，靈活多變的組合方式更易于與其它嚙合元件組成規(guī)格和功能不同的捏合區(qū)域。偏心圓嚙合盤元件左右相互交錯(cuò)嚙合的盤片形成較大面積的軸向間隙和周向間隙，左右兩嚙合盤所形成的軸向間隙大小不隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化而變化，位置則隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度呈周期性左右擺動(dòng)。由于兩轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)，左右嚙合盤所形成的軸向間隙和周向間隙內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)明顯，為其提供了較多的高剪切區(qū)域。

表1 為螺桿和機(jī)筒的幾何尺寸，相對(duì)應(yīng)的機(jī)筒尺寸見圖1a。筆者主要對(duì)比了偏心圓嚙合盤元件不同的錯(cuò)列角和偏心距這兩個(gè)幾何參數(shù)，設(shè)置了以下5 組對(duì)照模型：錯(cuò)列角為30°，偏心距為4.5 mm；錯(cuò)列角為60°，偏心距為4.5 mm；錯(cuò)列角為90°，偏心距為4.5 mm；錯(cuò)列角為90°，偏心距為5 mm；錯(cuò)列角為90°，偏心距為6 mm。

表1 螺桿和機(jī)筒幾何尺寸特征 mm

偏心圓嚙合盤元件轉(zhuǎn)動(dòng)見圖1b。可以看出，兩機(jī)筒流域的周向截面形似兩個(gè)半月形圓弧，左右兩嚙合盤元件順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)子的擠壓下使得半月形的流動(dòng)空間左移，熔體因擠壓作用沿機(jī)筒順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。在左端螺棱運(yùn)動(dòng)到兩機(jī)筒交界處的端點(diǎn)時(shí)，兩機(jī)筒所夾區(qū)域形成周向較封閉區(qū)域且該區(qū)域體積在不斷減小，熔體由于擠壓作用快速向前輸運(yùn)，形成短時(shí)間的擠壓竄流，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的每個(gè)周期會(huì)出現(xiàn)兩次。由于擠出機(jī)對(duì)熔體具有輸送能力，所以熔體同時(shí)向前平穩(wěn)輸送。

圖1 機(jī)筒和轉(zhuǎn)子尺寸及轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖

機(jī)筒采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分為數(shù)量437 230 的網(wǎng)格，轉(zhuǎn)子采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為57 613。由于機(jī)筒邊界處和嚙合盤捏合區(qū)流體流動(dòng)變化較明顯，故在此處采用邊界層網(wǎng)格加密，如圖2 所示。

圖2 有限元模型

1．2 數(shù)學(xué)模型

流道內(nèi)流體流動(dòng)十分復(fù)雜，為了方便計(jì)算，忽略影響較小的因素，并假設(shè)：①流體為冪律流體；②流體為層流不可壓縮流體；③流場為等溫穩(wěn)定流場；④忽略慣性力和體積力；⑤流道內(nèi)壁面和螺桿壁面無滑移；⑥物料完全充滿。

基于以上假設(shè)和網(wǎng)格疊加技術(shù)(MST)，并在直角坐標(biāo)系下建立方程。

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

式中：?為哈密頓算子；v為速度矢量；T為切應(yīng)力張量；P為壓力。

本構(gòu)方程：

式中：η∝為剪切速率無窮大下的黏度數(shù)值；η0為零剪切黏度；λ為松弛時(shí)間；γ為剪切速率；n為冪律指數(shù)。

平均對(duì)數(shù)線拉伸率：

式中：ζ為平均對(duì)數(shù)線拉伸率；x為粒子初始時(shí)刻的位置；X為粒子在t時(shí)刻的位置；dx為流體平均對(duì)數(shù)拉伸微元，且dx=F·dX(F 為變形梯度張量)。

粒子分布指數(shù)：

式中：ε為粒子分布指數(shù)；Freal(l)，F(xiàn)opt(l)為概率函數(shù)；l為粒子間距。

粒子分布指數(shù)是用來評(píng)價(jià)粒子隨時(shí)間的混合效果。假設(shè)初始時(shí)刻有N顆粒子集中在一定空間內(nèi)，粒子之間對(duì)流場無影響，也不相互影響。在t時(shí)刻有N顆粒子組成N(N–1)／2 組粒子對(duì)。每組粒子對(duì)的位置分別為Xi和Xj，其最短距離dij= |Xi–Xj|，最大距離為流道的最大直徑。粒子對(duì)相互之間的距離小于l的概率為Freal(l)。當(dāng)粒子均勻分布在流道內(nèi)時(shí)的粒子間距作為最優(yōu)分布，粒子對(duì)之間相互距離小于l的概率密度函數(shù)為Fopt(l)。其中當(dāng)粒子束分布指數(shù)減小時(shí)，表明混合效果提高。

為了提高計(jì)算精度，選擇收斂慢且相對(duì)穩(wěn)定的Picard 迭代，速度場采用mini-element，壓力則利用線性關(guān)系求解，瞬態(tài)流場分析采用Galerkin 積分法。

1．3 邊界條件

為了使模型封閉計(jì)算收斂有解，假設(shè)邊界條件為：機(jī)筒內(nèi)表面速度為0；流域入口流量3.1×10–6m3；流域出口壓力 3×106Pa；左右轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速相同，為150 r／min。

2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

在實(shí)際操作中網(wǎng)格的稀疏和稠密直接影響計(jì)算結(jié)果的精度，理論上網(wǎng)格密度越高計(jì)算精度越高，但是現(xiàn)實(shí)中計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力是有限的，在運(yùn)算能力允許的范圍內(nèi)使得計(jì)算結(jié)果盡量精確是研究者努力去實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

圖3 是螺桿在檢測線上的速度值，其分別將流域劃分為周向30 層、40 層和60 層的網(wǎng)格。從圖3可以看出，檢測線上的速度值相差很小，故可以推斷網(wǎng)格密度對(duì)結(jié)果精確度影響較小，即網(wǎng)格無關(guān)性成立。以下采用周向網(wǎng)格數(shù)量為40 層的網(wǎng)格作為模型進(jìn)行分析。

圖3 不同網(wǎng)格密度時(shí)偏心圓嚙合盤元件在檢測線上的速度值

3 結(jié)果與討論

3．1 流動(dòng)特性分析

(1)壓力場分析。

圖4 給出了初始時(shí)刻機(jī)筒內(nèi)表面和沿軸的機(jī)筒中心截面的壓力場分布。從圖4a 可以看到，偏心圓嚙合盤元件的機(jī)筒內(nèi)表面壓力沿?cái)D出方向有所上升，熔體在機(jī)筒前半段壓力值則較為平穩(wěn)，而機(jī)筒后段壓力急劇升高，這是由于偏心圓嚙合盤元件錯(cuò)開的嚙合盤對(duì)于熔體的流動(dòng)產(chǎn)生了屏障作用，阻礙了熔體的流動(dòng)，其形成的軸向壓差有利于物料沿軸向的回流，提高了軸向混合能力[12]。從圖4b可以看到，螺棱兩側(cè)的推力面和拖拽面使得運(yùn)動(dòng)前后區(qū)域形成壓力梯度[13]，這是由于偏心圓嚙合盤元件較為寬大的螺棱使得轉(zhuǎn)子與機(jī)筒之間有較大面積的螺棱頂隙，從而產(chǎn)生了較強(qiáng)的擠壓作用。由圖4b 還可以看出偏心圓嚙合盤元件較常規(guī)嚙合盤元件具有較高的左右轉(zhuǎn)子區(qū)周向壓力差，這有利于熔體從壓力高的一側(cè)沿壓力梯度流向壓力低的一側(cè)，形成壓力竄流，從而提高周向混合能力。

圖4 壓力分布云圖

(2)速度矢量場分析。

圖5 是偏心圓嚙合盤元件初始時(shí)刻宏觀速度矢量圖，圖中矢量箭頭長短代表速度大小，箭頭長度越長代表速度越大；矢量箭頭方向越廣數(shù)量越密集，則說明物料在流道中的流動(dòng)性越好。圖5a 中箭頭長度較長的三處區(qū)域是流動(dòng)性相對(duì)較好的區(qū)域，其主要出現(xiàn)在兩螺棱中間的位置如圖5b 所示，其形成原因主要是由于左右轉(zhuǎn)子相互擠壓熔體致使熔體向前快速流動(dòng)所造成的。由于偏心圓嚙合盤元件較為平滑的螺棱表面并未對(duì)機(jī)筒產(chǎn)生刮壁現(xiàn)象，所以螺棱頂隙處并未出現(xiàn)高流動(dòng)區(qū)域。

(3)剪切速度場分析。

圖6 給出了初始時(shí)刻機(jī)筒內(nèi)表面和周向截面的剪切速率分布。從圖6 可看出，高剪切速率區(qū)域主要出現(xiàn)在偏心圓嚙合盤元件的螺棱頂隙處和左右兩轉(zhuǎn)子所形成的軸向間隙處，這是由于螺棱兩側(cè)的推力面和拖拽面使得運(yùn)動(dòng)前后區(qū)域形成的壓力梯度，使得熔體沿壓力梯度由高壓區(qū)流向低壓區(qū)增加了流動(dòng)性，且螺棱頂隙與軸向間隙處轉(zhuǎn)子相對(duì)運(yùn)動(dòng)明顯，速度梯度較大，從而產(chǎn)生了較高的剪切速率區(qū)域。

圖5 速度矢量圖

圖6 剪切速率分布云圖

(4)混合指數(shù)。

混合指數(shù)是用來表征混合特性的一種評(píng)價(jià)參數(shù)，其值范圍是0～1。當(dāng)混合指數(shù)接近0 時(shí)，流體主要以漩渦流的形式存在；當(dāng)混合指數(shù)接近0.5 時(shí)，流體主要以剪切流的形式存在；當(dāng)混合指數(shù)接近1時(shí)，流體主要以拉伸流的形式存在。圖7 為初始時(shí)刻兩種典型旋轉(zhuǎn)位置下的混合指數(shù)云圖。從圖7 可以看出，以旋渦流為主的區(qū)域主要出現(xiàn)在背螺棱一側(cè)的內(nèi)側(cè)，其流動(dòng)性相對(duì)較差，其主要原因是此區(qū)域受到偏心圓嚙合盤元件錯(cuò)開的嚙合盤的屏障作用，阻礙了熔體的流動(dòng)，并且此處無螺棱的擾動(dòng)，速度梯度較小，導(dǎo)致此處流動(dòng)性較差。圖7 中以剪切流為主的區(qū)域主要出現(xiàn)在螺棱頂隙與軸向間隙處，在前面剪切速度場分析中已經(jīng)得出此結(jié)論，除此之外，以剪切流為主的區(qū)域還出現(xiàn)在機(jī)筒和轉(zhuǎn)子壁面處，這是因?yàn)樵诶炝骺拷诿娴奈恢糜捎诒诿嬲硿Φ淖饔檬沟美炝髦饾u過渡為剪切流。圖7 中以拉伸流為主的區(qū)域主要出現(xiàn)在背螺棱一側(cè)的外側(cè)，其流動(dòng)性較好，這是由于周向壓力差的存在使得流體沿壓力梯度流動(dòng)，從而產(chǎn)生了較強(qiáng)的拉伸流，拉伸流對(duì)分散混合的能力提升明顯。

圖7 兩種典型旋轉(zhuǎn)位置下周向截面的混合指數(shù)云圖

3．2 混合效率分析

(1)對(duì)數(shù)線拉伸指數(shù)。

J. M. H. Janssen[9]進(jìn)一步完善了液滴破碎機(jī)理，指出液滴在力的作用下被拉長，當(dāng)伸長到一定程度時(shí)發(fā)生破裂形成較小液滴，這種情況下拉伸流較剪切流更有助于減小液滴半徑，從而提高分散混合的能力。圖8 為不同幾何參數(shù)對(duì)數(shù)拉伸率對(duì)比。

圖8a 中，錯(cuò)列角為60°的偏心圓嚙合盤元件的對(duì)數(shù)拉伸率在運(yùn)動(dòng)到1.5 s 以后逐漸高于30°和90°的偏心圓嚙合盤元件，由此推斷出錯(cuò)列角為60°的偏心圓嚙合盤元件拉伸混合能力更佳。圖8b 中，偏心距為5 mm 的偏心圓嚙合盤元件的對(duì)數(shù)拉伸率在運(yùn)動(dòng)到2.5 s 以后逐漸高于4.5 mm 和6 mm 的偏心圓嚙合盤元件，由此推斷出偏心距為5 mm 的偏心圓嚙合盤元件拉伸混合能力更佳。

圖8 不同幾何參數(shù)的對(duì)數(shù)拉伸率對(duì)比

(2)累積最大剪切速率。

圖9 為不同幾何參數(shù)最大剪切速率對(duì)比。圖中某一點(diǎn)橫坐標(biāo)為a，縱坐標(biāo)為b，則說明有b%的粒子經(jīng)歷的最大剪切速率小于a，曲線排列越靠右側(cè)則剪切能力越強(qiáng)[14]。圖9a 中，錯(cuò)列角為60°的偏心圓嚙合盤元件所在曲線要明顯靠近右側(cè)，并且在剪切速率達(dá)到5 000 s–1后，此優(yōu)勢更加明顯，所以錯(cuò)列角為60°的偏心圓嚙合盤元件具有更高的剪切混合能力。圖9b 中偏心距為5 mm 的偏心圓嚙合盤元件所在曲線更靠近右側(cè)，并且在剪切速率達(dá)到3 000 s–1后，此優(yōu)勢更加明顯，所以偏心距為5 mm的偏心圓嚙合盤元件具有更高的剪切混合能力。

(3)停留時(shí)間分布。

停留時(shí)間是衡量物料分布混合的的重要參數(shù)之一[15]。停留時(shí)間密度分布曲線越靠近右側(cè)則表明停留時(shí)間越長分布混合越好，曲線分布越寬則表明軸向混合能力越強(qiáng)，軸向混合越均勻。圖10a 中，錯(cuò)列角為60°的偏心圓嚙合盤元件所在曲線更靠右側(cè)，形狀更寬，所以驗(yàn)證了60°的偏心圓嚙合盤元件具有較好的軸向混合能力。圖10b 中，偏心距為5 mm 的偏心圓嚙合盤元件所在曲線更靠近右側(cè)，所以偏心距為5 mm 的偏心圓嚙合盤元件具有較好的軸向混合能力。

圖9 不同幾何參數(shù)最大剪切速率對(duì)比

圖10 不同幾何參數(shù)停留時(shí)間分布對(duì)比

(4)分布指數(shù)和分離尺度。

圖11 不同幾何參數(shù)分布指數(shù)和分離尺度對(duì)比

分布指數(shù)是用來衡量分布混合能力的重要指標(biāo)，示蹤粒子與最優(yōu)分布之間的差異越小則證明分布混合能力越佳[16]。圖11 為不同幾何參數(shù)分布指數(shù)和分離尺度對(duì)比。從圖11a 以看出，兩條曲線在初始時(shí)刻分離尺度均處于一個(gè)較高的位置，這是因?yàn)槭聚櫫Ｗ映跏紩r(shí)刻都積聚在機(jī)筒入口端面的左右兩側(cè)，所以開始時(shí)分離尺度處于高位。兩條曲線的初始分離尺度不同是由于回流使得進(jìn)入到流域內(nèi)的粒子數(shù)量不同所造成的。接下來隨著混合的進(jìn)行，錯(cuò)列角為60°的偏心圓嚙合盤元件分布指數(shù)逐漸低于錯(cuò)列角為30°和90°的偏心圓嚙合盤元件。這說明錯(cuò)列角為60°的偏心圓嚙合盤元件擁有較好的分布混合能力。如圖11b 所示，偏心距為5 mm的偏心圓嚙合盤元件所在曲線明顯低于4.5 mm和6 mm 的偏心圓嚙合盤元件，這說明偏心距為5 mm 的偏心圓嚙合盤元件分布混合能力更佳。

分離尺度表示混合物中相同組分區(qū)域平均尺寸的度量，其數(shù)值隨著分散混合程度的提高而減小[17]。圖中曲線可以看出偏心圓嚙合盤元件其平緩的螺棱表面未能對(duì)熔體產(chǎn)生匯流作用，所以線形較為均勻并未出現(xiàn)較大波動(dòng)，并且其較好的剪切作用和拉伸作用使得兩種示蹤粒子平穩(wěn)高效地混合在一起。由圖11c 可看出，錯(cuò)列角60°的偏心圓嚙合盤元件所在曲線明顯低于30°和90°的偏心圓嚙合盤元件所在曲線，所以錯(cuò)列角為60°的偏心圓嚙合盤元件擁有較好的分散混合能力。由圖11d 可看出，偏心距5 mm 的偏心圓嚙合盤元件所在曲線較偏心距為4.5 mm 和6 mm 的偏心圓嚙合盤元件所在曲線低，所以偏心距5 mm 的偏心圓嚙合盤元件分散混合能力更佳。

(5)粒子可視化及單個(gè)粒子混合特性。

假設(shè)流道入口均勻釋放2 000 個(gè)示蹤粒子，對(duì)粒子在50 s 內(nèi)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了跟蹤。圖12 為典型的單個(gè)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，圖中小點(diǎn)為每單位時(shí)間步長下的坐標(biāo)位置，粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡便是由這許多的點(diǎn)組成。通過對(duì)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡觀察發(fā)現(xiàn)，機(jī)筒中一部分粒子沿機(jī)筒內(nèi)壁做圓環(huán)型移動(dòng)，如圖12a 所示，由于受到機(jī)筒內(nèi)壁粘滯力的作用粒子運(yùn)動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)緩慢，且未進(jìn)入到左右轉(zhuǎn)子之間嚙合區(qū)。還有一部分粒子運(yùn)動(dòng)較為活躍，如圖12b 所示，其粒子的兩位移位置坐標(biāo)點(diǎn)相隔較遠(yuǎn)，運(yùn)動(dòng)速度較大，繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)圈數(shù)較多，且多次進(jìn)入左右轉(zhuǎn)子嚙合區(qū)。還有極少數(shù)粒子在螺桿根部區(qū)域滯留時(shí)間較長，如圖12c 所示，螺桿根部區(qū)域熔體流動(dòng)性較差造成了極少數(shù)示蹤粒子滯留在此區(qū)域。

圖12 示蹤粒子運(yùn)動(dòng)軌跡

圖13 單個(gè)粒子混合特性曲線

圖13 為上述三種粒子的混合特性曲線。通過對(duì)典型粒子耗散率、對(duì)數(shù)拉伸率、黏度的突變規(guī)律分析，可以更加深入地了解雙螺桿擠出機(jī)中熔體的流動(dòng)和混合機(jī)理。粒子1 的總體流動(dòng)性較差，其耗散率相對(duì)較低，由于貼近壁面故其拉伸指數(shù)也相對(duì)較低，但由于螺棱頂隙的存在使得沿機(jī)筒前進(jìn)的粒子也具有相對(duì)穩(wěn)定且較好的剪切速率，所以其剪切黏度也較為平穩(wěn)。粒子2 總體一直處于流動(dòng)性較好的狀態(tài)，所以其耗散率和對(duì)數(shù)拉伸率都處于相對(duì)高的數(shù)值，由于其多次經(jīng)歷左右兩轉(zhuǎn)子所夾高剪切嚙合區(qū)域，剪切變稀使其黏度值波動(dòng)相對(duì)較大。粒子3前段流動(dòng)性相對(duì)較好，所以其耗散率和對(duì)數(shù)拉伸率數(shù)值相對(duì)較高，而到了中段粒子運(yùn)動(dòng)逐漸拐入螺棱根部造成物料滯留，所以耗散率和對(duì)數(shù)拉伸率逐漸下降，由于左右兩螺棱周向間隙的存在，使螺棱根部的粒子也能經(jīng)受較高的剪切，所以其剪切黏度波動(dòng)相對(duì)較高。

4 結(jié)論

(1)偏心圓嚙合盤元件在軸向和周向都具有較大的壓力梯度，物料沿壓力梯度流動(dòng)，提高了軸向和周向混合效率。偏心圓嚙合盤元件較為平滑的螺棱表面未對(duì)機(jī)筒內(nèi)熔體產(chǎn)生較大擾動(dòng)，只在兩螺棱之間區(qū)域存在較短時(shí)間的高流動(dòng)區(qū)域。偏心圓嚙合盤元件寬大的螺棱使其具有較大面積的螺棱頂隙，再加上較大面積的左右轉(zhuǎn)子相互嚙合所形成的軸向間隙和周向間隙，這些都為其提供了較高的剪切混合區(qū)域，從而提高了其剪切混合能力。偏心圓嚙合盤元件由于較強(qiáng)的周向和軸向壓力梯度，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的拉伸流，增強(qiáng)了混沌混合效果，提高了分散混合能力。

(2)錯(cuò)列角為60°和偏心距為5 mm 的偏心圓嚙合盤元件更利于推動(dòng)和拖拽熔體沿運(yùn)動(dòng)方向流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)熔體的多向流動(dòng)，產(chǎn)生較強(qiáng)的壓力竄流，從而促進(jìn)了物料的軸向混合和周向混合，提高了其分布混合效率。該組合偏心圓嚙合盤元件還具有較好的拉伸流動(dòng)和剪切流動(dòng)，從而提高了分散混合效率。

(3)由單個(gè)粒子軌跡及其混合特性曲線可知，粒子流經(jīng)機(jī)筒內(nèi)壁和螺棱根部之間區(qū)域時(shí)混合效果較為理想，粒子運(yùn)動(dòng)靠近機(jī)筒則剪切和拉伸下降明顯，而靠近螺棱根部粒子流動(dòng)遲緩，發(fā)生粒子滯留現(xiàn)象。