Page 102 - 《橡塑技术与装备》2024年1期

橡塑技术与装备 CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT

杂性，同时流动过程能满足工程的近似要求，做以下
基本假设 [11~12] ：

图 3 单螺杆挤出机喂料段流体域网格划分

图 2 单螺杆挤出机喂料段沟槽衬套螺杆组装图 2 模拟结果分析
2.1 沟槽深度对喂料段物料输送速率的影响
(1) 聚合物为非牛顿流体 ；
(2) 聚合物熔体假定为紊流流动 ； 在沟槽宽度和沟槽个数不变的情况下，利用数值
模拟研究手段，分析了沟槽深度对单螺杆挤出机喂料
(3) 忽略惯性力和重力的影响 ；
(4) 聚合物在流道中假定为全部充满。 段物料输送速率的影响，沟槽深度变化范围如表 1 所
描述流场的连续性性方程、运动方程和能量方程 示。
表 1 沟槽深度变化表及截面图例
如下 ：
沟槽宽度 15 mm
Δ υ=0 (1) 个数 12 个

ρ+ τ=0 (2) 螺旋升角 30°
沟槽深度 4 mm 6 mm 8 mm 10 mm
Δ-
Δ
τ=2η( r )D (3)
.
-1
式中， υ 为速度， m s ；为压力， Pa； τ 为应力张量， 截面图例
Pa ； η( r ) 为剪切速率作用黏度值，Pas ； D 为形变速
-1
率张量，s 。 运用 workbench 软件 fluent 模块对胶粉的输送过
为了既能描述在高剪切速率下的假塑性流体的流 程进行数值模拟，接着采用 CFDPOST 模块进行后处
变性质，又可描述在低剪切速率下牛顿流体的流变性 理分析，得到 4 种不同沟槽深度的截面速度矢量云图，
质，Carreau 模型为 ： 如图 4 所示。
η( r )=η +(η 0 -η )[1+λ( r )2] n-1/2 (4) 根据图 4 可以看出，沟槽深度从 4 mm 提升至 6 mm，
式中，η 为无穷剪切黏度，Pas ； η 0 为零剪切速 速度矢量提升明显，从 6 mm 提升至 8 mm，速度矢量
率时的黏度，Pas ； λ 为胶料的黏弹性特征时间，s ； n 略微提升，沟槽深度从 8 mm 提升至 10 mm，速度矢
为非牛顿指数。 量下降明显。随着沟槽深度的增加，意味着沟槽截面
1.3 网格划分 容积增加，同样意味着衬套内表面摩擦系数增大，根
通过 workbench 平台运用布尔运算生成流体域。 据固体输送理论可知，衬套内表面摩擦系数越大，物
并采用智能网格划分模式，同时使用线尺寸控制单元 料的输送速度越快。但同时过大的沟槽深度，虽然增
格大小，并且对必要位置进行网格加密，以达到均匀 大了物料对机筒内壁的摩擦因数与物料对螺杆螺槽摩
划分网格、提高计算精度的目的 [13] 。喂料段流体域网 擦因数的差，但因衬套沟槽深度过大，胶料向前输送
格实体模型如图 3 所示 ： 时严重受阻，甚至部分胶料卡住在沟槽内，此时导致
1.4 边界条件的确定 速度下降严重。所以对于 d=150 mm 的挤出机喂料段
物料与衬套内表面为无滑移边界，即与衬套内表 沟槽深度应在 6~8 mm 的区间内进行选择，在增大摩
面接触的物料相对于衬套内表面的速度为零 ；且物料 擦因数差的同时避免沟槽深度过小导致挤出机喂料段
与螺槽底部和螺棱侧面分别接触的物料随螺杆作圆周 的喂料容积降低，又可以避免沟槽深度过大导致沟槽
运动 [13~14] 。螺杆表面的速度随螺杆转速的变化而变化， 内发声堵料现象。沟槽深度的增加可以提高挤出机喂
.
-1
本工作假定螺杆转速为 60 r min 。 料段的喂料容积，可以进一步提高输送效率，因此在
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