刀盤結(jié)構(gòu)對水下切粒水室流場分布的影響

丁時康，張冰*，楊建興

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.西安近代化學(xué)研究所，西安 710065)

造粒設(shè)備在石油化工行業(yè)里是必不可少的加工設(shè)備，造粒機(jī)按照物料冷卻形式分為冷切和熱切兩大類，熱切主要包括水環(huán)切粒技術(shù)和水下切粒技術(shù)。

水下切粒是一種新型的高聚物顆粒加工機(jī)械，因?qū)酆衔锏那辛：屠鋮s過程是在切粒水室中完成而得名，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[1]。高聚物在熔融狀況下，從口模擠出后在切粒水室的水介質(zhì)環(huán)境中被回旋的切刀切斷成顆粒，顆粒在水介質(zhì)環(huán)境中冷卻的同時，被水流運(yùn)輸?shù)角辛C(jī)的出水口后離開切粒水室。

圖1 水下切粒結(jié)構(gòu)示意圖

Kazuhisa，F(xiàn)ukutani[2]等對水下切粒機(jī)水室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，改變水室入水口和出口的角度和大小，調(diào)整水室內(nèi)的流場流動狀態(tài)。范杵蘭[3]的七種常見切粒問題的解決方案中提到，由于聚合物熔體可能帶有揮發(fā)性物質(zhì)，可能會造成切粒空穴，因此，需要設(shè)置真空孔來預(yù)防，并進(jìn)行了模擬分析。

謝經(jīng)偉等在對ADC型水下切粒機(jī)的進(jìn)刀壓力做了修正[4]，分析描述了接觸式切粒中的力學(xué)特征，提出了進(jìn)刀壓力曲線的測量和繪制方法。美國的 Hovey,S,Altenburg,Tamaqua[5]等人設(shè)計了一種可更換的，雙或單刃連接刀架盤上的切刀結(jié)構(gòu)，其適當(dāng)?shù)牡度袃A斜角度能夠在更短的軸向位移增加切削力這種設(shè)計可以使切粒產(chǎn)品質(zhì)量更高，也降低了對刀具的調(diào)整難度。

水下切粒機(jī)切粒的質(zhì)量很大程度上受到模板的影響，而且模板還會直接影響切粒機(jī)的生產(chǎn)率。秦貞明等[6]分析了模具內(nèi)聚合物流動過程中的速度場、壓強(qiáng)、剪切速率場等流變學(xué)特性。

1 刀盤結(jié)構(gòu)與水室流場物理模型

1.1 幾何模型對比分析

水室流場的幾何模型如圖2所示，沿擠出方向，切刀部分為刀頭、刀盤、刀座三部分構(gòu)成。由于材料的特殊性，采用特殊結(jié)構(gòu)的立式爪形刀盤，為達(dá)到切粒后的物料顆粒在水室內(nèi)碰撞成型的目的，出入水口的構(gòu)型拋棄傳統(tǒng)的徑向出入水口的設(shè)計，采用錯位結(jié)構(gòu)的高入低出的出入水口排布。

圖2 立式切刀內(nèi)部結(jié)構(gòu)建模

傳統(tǒng)水室內(nèi)部刀盤結(jié)構(gòu)為有效切粒面積較大的刀盤結(jié)構(gòu)，切刀盤為一圓形不銹鋼板，其上固定安裝接近徑向布置的多把切刀，為了簡化模擬計算，所構(gòu)建模型如下圖3所示。采用相同的出入水口構(gòu)型。

圖3 傳統(tǒng)切刀內(nèi)部建模

對比兩種切刀刀盤構(gòu)型容易分析得出，兩者最大的區(qū)別在于，立式爪形刀盤結(jié)構(gòu)的切刀有效接觸面積遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)刀盤，對比圖如圖4（陰影部分為切刀的效切割面積），在對切粒效率要求不高的情況下，對特殊材料進(jìn)行切粒時，該結(jié)構(gòu)的切刀構(gòu)型在安全性上，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)切刀。

圖4 兩種切刀構(gòu)型對比圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

在進(jìn)行流場模擬計算時，考慮到聚合物熔體在機(jī)頭內(nèi)流動的復(fù)雜性，需做出一些必要的假設(shè)。

（1）熔體為廣義非牛頓流體且不可壓縮。

（2）流場為等溫、層流、穩(wěn)態(tài)流場。

（3）熔體與壁面無滑移。

（4）慣性力和質(zhì)量力忽略不計。

在以上假沒前提下，描述流場的基本微分方程為：

連續(xù)性方程：

流體力學(xué)計算所用的動量守恒方程如下：

k-ε模型是目前數(shù)值模擬中使用最普遍的湍流模型。包括標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型和Realizable k-ε模型。本文采用的湍流模型是Realizable k-ε模型，該模型在圓形和平板上的射流發(fā)散比率方面的預(yù)測比較準(zhǔn)確。

1.3 邊界條件

（1）入水口邊界條件

工況流量為0.15 m3/h，出入水口為四分管，所對應(yīng)的模擬入口流速為0.215 m/s。

（2）出水口邊界條件

壓力邊界條件，設(shè)出口壓力為0。

（3）壁面條件

光滑壁面，無滑移。

2 流場數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 兩種不同刀盤結(jié)構(gòu)的水室速度場分析

流場計算結(jié)束后，兩模型得到速度流線圖如圖5、圖6所示。從圖中可以觀察出，速度最大值都出現(xiàn)在出水口處，內(nèi)部流線圖都較為復(fù)雜。但可對比發(fā)現(xiàn)，爪形刀盤水室內(nèi)部的高速區(qū)集中在水室上部，而傳統(tǒng)刀盤水室下部為高速區(qū)；在水室內(nèi)最大速度上，傳統(tǒng)刀盤的最大速度比爪式刀盤的最大速度高約8.9%。

圖5 爪形刀盤水室內(nèi)速度流線圖

圖6 傳統(tǒng)刀盤水室內(nèi)速度流線圖

如圖5在靠近出水口從左至右設(shè)置三個截面，分別為截面一、截面二、截面三，對不同結(jié)構(gòu)的模型的三截面平均速度進(jìn)行對比分析得到圖7。

圖7 兩種刀盤水室內(nèi)截面平均速度

在兩模型中，三個不同截面的平均速度。從圖中可以看出，每個模型，都是截面二速度最大，截面三速度最小，傳統(tǒng)刀盤的截面平均速度均大于爪形刀盤。

2.2 刀盤的位置對于水室內(nèi)流場的影響

通過調(diào)節(jié)刀座長度和刀盤位置，對不同結(jié)構(gòu)模型內(nèi)部流場進(jìn)行分析，保持切粒刀的下平面與模板造粒平面1 mm的距離，而且讓切粒刀的刀頭水平線與模板端面線平行如圖8，通過調(diào)節(jié)L1、L2的長度，控制水室內(nèi)部刀盤的位置，將水室前后分為刀盤前室和刀盤后室。將模型分為A、B、C、D、E五組，見表1。

表1 模型ABCDE列表

圖9為在模型A、B、C、D、E中，三個不同截面的平均速度。從圖中可以看出，每個模型，都是截面二速度最大，截面三速度最小。而截面一，即出水口處流速，不同模型基本保持一致。

圖8 刀盤及刀座結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 不同結(jié)構(gòu)模型的截面速度

由圖9可以對比得出，模型E的流動速度較大，流動效果最好，原因是因為刀座長度和刀盤位置適宜，使得入水口處形成的射流不會直接受到切刀及相關(guān)結(jié)構(gòu)的阻礙，造成過多的能量損失，以致流動受阻。

3 結(jié)論

本文利用fluent有限元軟件對水下切粒水室的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬計算，處理后得到不同結(jié)構(gòu)刀盤的水室速度場分布，經(jīng)過分析比較不同模型的計算結(jié)果，得到以下結(jié)論：

（1）傳統(tǒng)刀盤的切刀有效切粒面積大于立式爪形刀盤，但應(yīng)用于特殊材料領(lǐng)域，立式刀盤的安全性要優(yōu)于傳統(tǒng)刀盤。

（2）傳統(tǒng)刀盤構(gòu)型的水室流場和立式爪形刀盤速度場差別較大，流速高低分布區(qū)間不同，傳統(tǒng)刀盤水室流速高的區(qū)域在水室下部，立式刀盤的水室高流速區(qū)則在水室上部。

（3）切刀的刀盤結(jié)構(gòu)也會對水室內(nèi)部流場產(chǎn)生一定影響，經(jīng)過多組對比分析得出，適宜長度的刀座和刀盤會使得水室內(nèi)部流動效果更佳，設(shè)計準(zhǔn)則為避免入水口形成的射流對切刀結(jié)構(gòu)直接沖擊，造成能量損耗。

（4）不同的水室盡管內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，但在入水口速度保持不變的情況下，出口流速基本保持一致。