增強(qiáng)反應(yīng)注射成型機(jī)混合頭內(nèi)流體高壓高速對(duì)撞過程模擬與分析

鄧世欣，王 建，楊衛(wèi)民

（北京化工大學(xué)機(jī)電與工程學(xué)院，北京 100029）

0 前言

反應(yīng)注射成型（reaction injection molding，RIM）是一種將兩股可以反應(yīng)的物料在混合頭內(nèi)對(duì)撞混合，然后射入模具中使之完全反應(yīng)生成制品的復(fù)合材料成型加工方法。最常見的就是異氰酸酯和聚醚多元醇反應(yīng)生成聚氨酯制品?；旌项^作為反應(yīng)注射成型機(jī)器中重要部件極具研究的意義，根據(jù)混合方式的不同混合頭又分為攪拌混合頭、對(duì)撞混合頭、空氣混合頭和摩擦式混合頭［1］。每種混合頭具有不同的特點(diǎn)，根據(jù)物料的特點(diǎn)和實(shí)際生產(chǎn)的需求選取適合的混合頭。計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD），是一種可以通過預(yù)設(shè)的邊界條件和計(jì)算，從而獲得流場(chǎng)內(nèi)某個(gè)位置以及一些關(guān)鍵點(diǎn)的速度、壓力、溫度等物理量以及這些物理量隨時(shí)間的變化情況，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示根據(jù)這些信息，對(duì)模擬的流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［2］。CFD分析可用于RIM混合頭的混合效果分析中，用于指導(dǎo)相關(guān)結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)和工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。付琳等［3］利用CFD對(duì)低壓攪拌混合頭的葉片層數(shù)、周向葉片數(shù)和葉片傾斜角3個(gè)參數(shù)對(duì)混合效果的影響進(jìn)行了模擬分析，有效地指導(dǎo)如何優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。戴兵等［4］模塊化設(shè)計(jì)了聚氨酯發(fā)泡設(shè)備，通過CFD仿真分析了混合頭尺寸參數(shù)和混合壓力對(duì)混合效果的影響，確定了最佳的混合頭尺寸參數(shù)和混合壓力值。李山鵬及其團(tuán)隊(duì)對(duì)聚氨酯電動(dòng)發(fā)泡機(jī)在公路修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究，利用了Fluent軟件，對(duì)高壓高速混合的3種撞擊方式分別進(jìn)行了模擬，最終確定了采用一種旋撞混合方式來提高其混合效果［5］。Ying Liu及其團(tuán)隊(duì)利用CFD軟件對(duì)化學(xué)過程中常見的一種撞擊射流反應(yīng)器進(jìn)行了混合反應(yīng)的預(yù)測(cè)性分析，基于基本湍流運(yùn)輸理論能夠準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)湍流對(duì)應(yīng)的射流雷諾數(shù)范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)［6］。增強(qiáng)反應(yīng)注射成型（RRIM）是在反應(yīng)注射成型（RIM）的原液中加入增強(qiáng)填料如玻璃纖維、碳纖維、Kevlar纖維、云母片、硅灰石、玻璃微球和中空玻璃微球等［7］。上述CFD分析均是針對(duì)常規(guī)RIM混合頭開展的，鮮有對(duì)于RRIM混合頭的CFD分析報(bào)道。與RIM聚氨酯材料相比，RRIM聚氨酯材料彎曲強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度有明顯提高、尺寸穩(wěn)定性增強(qiáng)、耐熱和耐化學(xué)性提高、硬度增大。RRIM增加了填料預(yù)先加入原料預(yù)混合的過程，同時(shí)增強(qiáng)填料的加入使原料的黏度急劇上升，因此必須重視增強(qiáng)填料的加入帶來的各種問題，包括增強(qiáng)填料和原料之間的浸潤(rùn)性、分散性；傳送過程的沉積、對(duì)設(shè)備的磨損和計(jì)量系統(tǒng)的影響。本文通過CFD方法模擬分析了以玻璃微球（SiO2）作為增強(qiáng)填料加入多元醇（POLY）組分與異氰酸酯在L形混合頭中對(duì)撞混合的過程，旨在得出其混合特性及流動(dòng)規(guī)律，指導(dǎo)針對(duì)此類工況下的混合頭設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化工作。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

1.1.1 物理模型

混合頭的結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)形，采用循環(huán)式系統(tǒng)，內(nèi)部?jī)山M分進(jìn)料口直徑為2 mm，混合區(qū)直徑為8 mm，噴口處直徑為12 mm，模型及工作原理如圖1所示。當(dāng)混合腔閥門在圖1中的左圖時(shí)AB兩組分原料流經(jīng)混合腔內(nèi)后回流，噴嘴閥門向上移動(dòng)準(zhǔn)備打開。在圖1中的中圖時(shí)，噴嘴閥門完全開啟，混合腔閥門準(zhǔn)備打開。在圖1中的右圖時(shí)，混合腔閥門完全打開，此時(shí)AB兩組分原料在混合腔內(nèi)進(jìn)行高速對(duì)撞混合，并由噴嘴處射出至模具中。

圖1 L形混合頭工作原理示意圖Fig.1 Mixing head of type“L”working principle schematic diagram

1.1.2 網(wǎng)格劃分

由于高速高壓碰撞區(qū)域復(fù)雜且形狀不規(guī)則，若不考慮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而整體采用精密的網(wǎng)格則會(huì)使得計(jì)算機(jī)負(fù)載過大，增加了計(jì)算時(shí)間。因此在混合腔部分采用了局部加密，網(wǎng)格單元大小為1 mm，整體網(wǎng)格數(shù)量為501 281，如圖2所示，6種邊界條件下均采用相同的網(wǎng)格劃分。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshing of mixed heads

1.2 控制方程及邊界條件

1.2.1 控制方程

控制方程選用Realizable k-ε模型：

式中ρ——流體密度

V——運(yùn)動(dòng)黏度

xi，yi——各坐標(biāo)分量

Gk——平均速度梯度所產(chǎn)生的湍動(dòng)能

σk，σε——湍動(dòng)能k和湍流耗散率ε的湍流普朗克數(shù)

1.2.2 材料特性與邊界條件

A 料異氰酸酯（Lsocyanate），密度為 1.233×10-6kg/mm3，動(dòng)力黏度為 2×10-7N·s/mm2，比熱為2.515 6×106N·mm/（kg·℃），熱導(dǎo)率為 0.2 N·mm/（mm·s·℃）。B料聚醚多元醇（Polyether polyol），B1為添加了5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）SiO2的聚醚多元醇，其密度為1.044×10-6kg/mm3，動(dòng)力黏度為1.72×10-6N·s/mm2，比熱為1.67×106N·mm/（kg·℃），熱導(dǎo)率為0.18 N·mm/（mm·s·℃）；B2 為添加了7.5%SiO2的聚醚多元醇，其密度為1.061×10-6kg/mm3，動(dòng)力黏度3.885×10-6N·s/mm2，比熱為1.67×106N·mm/（kg·℃），熱導(dǎo)率為0.18 N·mm/（mm·s·℃）。B3為添加了10%SiO2的聚醚多元醇，其密度為1.078×10-6kg/mm3，動(dòng)力黏度6.05×10-6N·s/mm2，比熱為1.67×106N·mm/（kg·℃），熱 導(dǎo) 率 為 0.18 N·mm/（mm·s·℃）。 B4 為 添 加 了12.5%SiO2的聚醚多元醇，其密度為1.095×10-6kg/mm3，動(dòng) 力 黏 度 8.215×10-6N·s/mm2，比 熱 為 1.67×106N·mm/（kg·℃），熱導(dǎo)率為0.18 N·mm/（mm·s·℃）。B5為添加了15%SiO2的聚醚多元醇，其密度為1.113×10-6kg/mm3，動(dòng) 力 黏 度 10.38×10-6N ·s/mm2，比 熱 為 1.67×106N·mm/（kg·℃），熱 導(dǎo) 率 為0.18 N·mm/（mm·s·℃）。

環(huán)境溫度/初始組件溫度為20.05℃，A料/B料=1∶1，A料（ISO）入口質(zhì)量流量分別為：0.05、0.1、0.15 kg/s；B料（POLY）入口質(zhì)量流量分別為：0.05、0.1、0.15 kg/s。環(huán)境壓力為0.101 325 MPa。如表1所示的6組邊界條件進(jìn)行模擬。

表1 各邊界條件編號(hào)Tab.1 Number of each boundary condition

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 流量對(duì)混合效果的影響

根據(jù)控制變量法，首先探究質(zhì)量流量變化對(duì)混合效果產(chǎn)生的影響，如圖3、圖4所示對(duì)比同樣采用B1料（5%SiO2）的1-1，1-2，1-3這3種邊界條件下的速度分布和壓力分布云圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著質(zhì)量流量的增加，混合腔內(nèi)的平均速度和壓力顯著升高。同時(shí)顯而易見的是速度和壓力在豎直剖視云圖上呈現(xiàn)右上角為高壓高速對(duì)撞混合區(qū)，因此壓力和速度最大區(qū)域?yàn)橛疑辖菍?duì)撞混合區(qū)域，在經(jīng)過對(duì)撞混合后壓力速度由對(duì)撞混合區(qū)到出口逐漸降低；在水平剖視云圖上看速度和壓力分布是不均勻的，雖然A料（ISO）的密度大于B料（POLY），在相同的質(zhì)量流量下B料入口的流速大于A料入口的流速，但是在靠近B原料出口處出現(xiàn)了高壓高速區(qū)，可見AB兩組分黏度差異是主要影響因素，當(dāng)入口質(zhì)量流量相同時(shí)，導(dǎo)致AB料高速碰撞位置偏向于黏度高的B料（POLY）一側(cè)。

圖3 A料與B1料混合速度分布云圖Fig.3 Cloud diagram of mixing speed distribution of materials A and B1

圖4 A料與B1料混合壓力分布云圖Fig.4 Cloud diagram of mixed pressure distribution of materials A and B1

2.2 黏度對(duì)混合效果的影響

將采用B3、B5料進(jìn)行模擬的3-1、3-2、3-3、5-1、5-2、5-3這6組結(jié)果與1-1、1-2、1-3對(duì)比。如圖5、圖6所示，相同的質(zhì)量流量下隨著黏度的增大混合腔內(nèi)速度變化不大，但是速度分布區(qū)別較大；在水平剖視圖中靠近高黏度的B料入口處的高壓高速區(qū)域隨著B組分中SiO2含量增加而顯著擴(kuò)大，且相同質(zhì)量流量下的高壓高速對(duì)撞區(qū)域因?yàn)轲ざ炔畹脑黾痈悠蛴诟唣ざ任锪铣隹谔帯?/p>

圖5 速度分布云圖Fig.5 Velocity distribution cloud diagram

圖6 壓力分布云圖Fig.6 Pressure distribution cloud diagram

2.3 流動(dòng)過程中數(shù)值變化

為了更好的表征整個(gè)混合頭內(nèi)兩組分混合過程中各個(gè)重要參數(shù)的變化，如圖7左上所示，從兩組分物料入口處開始到出口，以混合頭圓柱形腔的中心軸線建立x軸，根據(jù)仿真結(jié)果繪制成如圖7所示速度、靜壓、密度以及物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線。顯而易見的是15組邊界條件下的速度和壓力在0～10 mm區(qū)域變化劇烈，這是因?yàn)榇藭r(shí)兩種物料在混合區(qū)初段，在混合區(qū)末段和射出區(qū)域逐漸平穩(wěn)。軸線上的密度5-1曲線最快趨于平穩(wěn)且整體波動(dòng)不大，是因?yàn)檫@一組邊界條件有著最大的黏度和最慢的流速，因此混合效果最差。同理軸線上異氰酸酯和含有SiO2的聚醚多元醇兩組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也是5-1條件下最快趨于平穩(wěn)且整體曲線波動(dòng)不大。根據(jù)仿真計(jì)算的結(jié)果選取如表2所示15組模擬的平均總壓、平均速度、平均湍流黏度長(zhǎng)度強(qiáng)度和摩擦力的大小。對(duì)比相同流量不同SiO2含量下平均速度和平均總壓的變化，可以看出隨著SiO2濃度的增加平均速度有所下降，但平均總壓有所提升。無論是增加了流量還是SiO2的含量平均動(dòng)力黏度與摩擦力均有明顯的提升，也就是想要獲得良好的混合效果，對(duì)混合頭混合區(qū)域的磨損相應(yīng)地也會(huì)增加，因此在設(shè)計(jì)混合頭時(shí)對(duì)耐磨性的設(shè)計(jì)考慮也成為了重要的因素之一。湍流強(qiáng)度作為衡量一個(gè)流動(dòng)過程中流體隨時(shí)間變化而在空間中位移的劇烈程度的物理量，很好的表征了15種邊界條件下的混合效果。在SiO2含量最少也就是黏度低，同時(shí)流量最大的情況下?lián)碛凶畲蟮钠骄牧鲝?qiáng)度最好的混合效果，平均湍流強(qiáng)度隨著流量的降低和黏度的增加而減小，且黏度對(duì)其影響較大。

圖7 速度、靜壓、密度以及物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線Fig.7 Variation curves of velocity，static pressure，density and mass fraction of the materials

表2 各組模擬結(jié)果的重要參數(shù)Tab.2 Important parameters of simulation results of each group

2.4 粒子示蹤分析

在實(shí)際的反應(yīng)注射成型過程中，所添加的SiO2顆粒的分散效果對(duì)最終制品的性能起到?jīng)Q定性的作用。當(dāng)增加了SiO2粒子含量導(dǎo)致POLY組分的黏度增加時(shí)，為了探究SiO2粒子在混合過程中的分散效果，以及分散效果最終受到哪些因素的影響，筆者在前面的15組模擬的邊界條件下進(jìn)行了粒子的示蹤模擬分析。本粒子示蹤模擬分析在POLY入口處注入了SiO2顆粒，顆粒粒徑為100 μm，點(diǎn)數(shù)為20。停留長(zhǎng)度是指的各個(gè)粒子在整個(gè)混合過程中流動(dòng)的距離，流動(dòng)距離越長(zhǎng)說明混合的越充分，混合效果越好；停留時(shí)間則是指的各個(gè)粒子在整個(gè)混合過程中由入口平面到達(dá)出口平面所用的時(shí)間。對(duì)上述兩個(gè)重要的參數(shù)取平均值得到了如圖8所示的20個(gè)粒子的平均停留長(zhǎng)度和平均停留時(shí)間統(tǒng)計(jì)圖。顯而易見的是顆粒在混合腔內(nèi)的停留長(zhǎng)度受到物料黏度的影響較大，而且黏度較高的物料停留長(zhǎng)度更加穩(wěn)定。顆粒平均停留長(zhǎng)度隨質(zhì)量流量的提高而增長(zhǎng)；隨物料黏度的提高而減短。顆粒在混合腔內(nèi)的停留時(shí)間隨質(zhì)量流量的提高而減短，黏度較高物料的顆粒停留時(shí)間略長(zhǎng)。

圖8 粒子平均停留長(zhǎng)度和停留時(shí)間圖Fig.8 Average retention length and average retention time

3 結(jié)論

（1）增加質(zhì)量流量會(huì)導(dǎo)致混合腔內(nèi)速度壓力的提升也就是對(duì)撞程度變高，同時(shí)對(duì)撞的位置會(huì)更加偏向于黏度高的物料出口側(cè)，且摩擦力增加；

（2）增加黏度會(huì)導(dǎo)致混合腔內(nèi)物料的壓力提升速度降低，同時(shí)對(duì)撞位置明顯更加偏向于黏度高的物料出口側(cè)，且摩擦力顯著增加；

（3）作為增強(qiáng)材料的顆粒在混合腔內(nèi)的停留長(zhǎng)度隨質(zhì)量流量的提高而增加，隨物料黏度的提高而減短且受到黏度的影響較大；停留時(shí)間則隨質(zhì)量流量的提高而顯著減短，隨物料黏度的提高而略微增加。