Polyflow在双螺杆挤出模拟中的应用.doc

Polyflow在双螺杆挤出模拟中的应用Polyflow在双螺杆挤出模拟中的应用Polyflow在双螺杆挤出模拟中的应用Polyflow在双螺杆挤出模拟中的应用彭炯,胡冬冬,陈晋南(北京理工大学化工与材料学院，北京100081，中国）摘要：建立了同向双螺杆挤出机捏合段三维非等温流动的数学模型，利用Polyflow软件包对其进行了数值求解，给出了流道内压力、速度的分布，以及进出口压差对流量、温度及压力的影响规律。数值结果对捏合盘的优化设计和工艺参数的选择有一定的指导意义.关键词：双螺杆挤出机，捏合元件,数值模拟，Polyflow中图分类号：TQ320。66PolyflowintheSimulationofTwin—ScrewExtrusionPengJiong，HuDong—dongandChenJin—nan(SchoolofChemicalEngineeringandMaterialsScience,BeijingInstituteofTechnology，Beijing100081）Abstract：A3-Dnumericalmodelofthenon—isothermalflowinthekneadingzoneofaco-rotatingtwin—screwextruderwaspresented.ThenumericalresultswereobtainedbyasoftwarepackagePolyflow.Thedistributionsofthepressureandvelocity,andtheinfluencesofthepressuredifferencebetweentheinletandoutletontheflowrates,temperatureandpressurewerealsopresented。Numericalresultsareofgreatsignificanceforguidingoftheoptimizationofkneadingdiscdesignandtheselectionofprocessingparameters.Keywords:Twin-screwextruders，kneadingelement,numericalsimulation,Polyflow双螺杆挤出机作为连续混合设备，已广泛应用于聚合物加工、食品加工以及医药工业。由于双螺杆结构、聚合物熔体物性以及流动状态的复杂性，目前对双螺杆挤出机挤出过程的理论研究还局限一定的模型[1—3]。捏合块在一定程度上决定双螺杆挤出机的混合效率,在双螺杆挤出机中具有重要地位.对捏合段流体流动的研究，文献中大多采用从机筒实体挖去捏合块实体，形成流体的流道，对此流道进行数值求解[4］，但由于螺杆的转动，流道形状时刻在变化，这样，有限元网格处理的工作量相当大。本文采用Polyflow软件包提供的网格叠合技术［5］(MeshSuperpositionTechnique）对捏合段三维非等温流动的数学模型进行求解，大大减小了网格处理的工作量。1物理模型对于双螺杆挤出机，捏合段流道形状随着捏合块的旋转而变化。这种具有运动边界的问题是数值计算的一大难点。本文的特色之处：采用8点六面体单元，分别对捏合块和“8"字型流道进行网格划分，然后把捏合块和流道进行组合，让捏合块在“8”字型流道中转动，在计算时，采用一定的判别条件区分捏合块与流道，捏合块与流道的重叠区域定义为捏合块。捏合盘与机筒几何关系及物理模型见图1a、图1b。图1a捏合盘与机筒几何关系（单位mm）图1b物理模型图中捏合块尺寸采用日本钢铁公司的TEX30挤出机捏合元件尺寸，由5个捏合盘按错列角组合而成,每块捏合盘轴向厚度为7。8mm，捏合盘外径29。2mm，根径21mm，机筒直径30mm，螺杆中心距26mm。捏合盘与捏合盘的轴向间隔1。5mm。2数学模型假设流道内充满不可压聚合物熔体，流动为稳态流动。由于聚合物熔体的高粘性，惯性力和质量力相对于粘性剪切力很小,忽略不计。在以上假设条件下，描述流场的基本微分方程为：连续性方程（1）运动方程（2）能量方程（3)本构方程(4)V为速度向量，p为压力，I为单位张量，k为热传导系数，T为温度，为密度，为比热，为应力张量,为表观粘度，是温度T和剪切速率的函数，D为变形速率向量.(5)聚合物熔体为非牛顿流体,其表观粘度除了与剪切速率有关，还与温度T有关。由Carreau模型和近似Arrhenius定律给出熔体表观粘度与剪切速率、温度的关系（6）为零剪切粘度，为Carreau模型参数，n为非牛顿指数，为参考温度。b为粘度的温度修正系数。模拟计算采用聚丙烯的物性参数:3边界条件捏合块作逆时针方向转动，转速为100rpm，给出流道进口与出口压力差,熔体在