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《啮合同向双螺杆挤出机螺纹元件三维流场分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、啮合同向双螺杆挤出机螺纹元件三维流场分析李鹏,耿孝正,马秀清(北京化工大学机械工程学院,北京100029)摘要:利用ANSYS有限元分析软件对啮合同向双螺杆挤出机的螺纹元件流场进行了三维等温非牛顿模拟分析。通过速度场求出了流量及回流量,并求出拉伸速率、剪切速率及剪切应力来衡量混合效果。得到了机筒表面和啮合区的压力分布,找出了螺纹的导程、间隙及两端压差等参数对挤出机混合效果的影响。关键词:啮合同向双螺杆挤出机;螺纹元件;流场分析中图分类号:TQ320.66+3文献标识码:B文章编号:1001Ο9278(2001)06
2、Ο0073Ο05对双螺杆挤出机螺杆螺纹流道流场中的流动分析有解析法和数值法。由于螺纹流道中流动非常复杂,解析法很难进行。近年来多采用数值法求解,如FDM、FEM、FAN等,其中用的最多的是FEM。早期的螺纹流场计算主要是忽略啮合区及沿机筒展开的简化二维模型1,这种模型对流道过于简化,计算结果与实际相差较大。后来逐渐采用将啮合区随螺槽展开处理2和对啮合区单独处理3的方法,近年来多采用将啮合区和螺槽区作为整体来建立物理模型的方法,对几何形状不作简化,但边界条件一般采取机筒旋转螺杆静止的三维模型。本文所建立的模型是采用实
3、际流道真实尺寸的三维非牛顿模型,不作任何简化。与传统方法不同,边界条件采用机筒静止、螺杆旋转的实际运转条件,采用ANSYS有限元软件求解流场。图1螺纹流道物理模型1理论模型111物理模型本文所建立的三维物理模型如图1所示,包括机筒和螺杆间的间隙δ、螺杆和螺杆间的间隙δ1(图2)以及真实的啮合区形状。图1中的螺纹流道由一段长度为45mm、导程为30mm的螺纹组成。螺杆外径为34mm,机筒内径为3416mm。螺杆与机筒的间隙δ及左右螺杆间的间隙δ1均为013mm,左右螺杆中心距为30mm。为拟定流场,考虑到熔体输送段具
4、体的工艺条件及高聚物的特性,作出如下假设:图2螺杆机筒几何关系(1)流体为幂律流体;(2)流场为稳定流场;(3)流场为等温流场;(4)雷诺数较小,可认为流动为层流流动;(5)由于惯性力、重力等体积力远小于粘滞力,所以可忽略不计;(6)流体为不可压缩流体;(7)流道壁面无滑移。112数学模型对于等温层流不可压缩的幂律流体,忽略体力,其收稿日期:2000Ο12Ο02基金项目:国家自然科学基金资助重点项目(批准号59733070)4连续性方程为:机械与模具·74·啮合同向双螺杆挤出机螺纹元件三维流场分析9ρ+9(ρv)+
5、9(ρv)+9(ρv)=0物料由一根螺杆表面经啮合区过渡到另一螺杆的表面,从横截面上看物料呈“∞”形运动。料流运动轨迹经过啮合区时将会发生突变,轨迹在上啮合区内会呈现“∨”而在下啮合区内则呈现“∧”的变化。根据流道的速度场通过编制后处理程序可求出流量、拉伸速率、剪切速率和剪切应力。212压力场21211机筒内表面的压力分布机筒内表面的压力分布如图4所示。将机筒周向展开得到OX轴(即图2中从弧BCA到弧ADB)。图中OY轴表示机筒内表面压力的高低,OZ轴为螺杆轴向方向。从图中可以看出,机筒内表面的压力高点和低点是沿着
6、螺棱分布的。压力的高点和低点相邻,说明螺棱推力面压力较高,相反一侧压力较低。(1)xyz9t9x运动方程为4:9y9zρ(9υx+υ9υx+υ9υx+υ9υx)=xyz9t9x9y9z-9P+(9τxx+9τyx+9τzx)+ρgx9x9x9y9zρ(9υy+υ9υy+υ9υy+υ9υy)=xyz9t9x9y9z-9P+(9τxy+9τyy+9τzy)+ρg(2)y9y9x9y9zρ(9υz+υ9υz+υ9υz+υ9υz)=xyz9t9x9y9z-9P+(9τxz+9τyz+9τzz)+ρgz9z9x9y9z幂律流
7、体本构方程为:n-1γ´1(γ´∶γ´)τ=mγ´n-1γ´=m113边界条件(3)2按照挤出机的实际运转条件及边界无滑移假设给出流道的速度边界,即机筒边界速度Vb为零,螺杆表面速度Vr按照角速度与螺杆表面半径的乘积给定。因为不可能预先给出流道出口和入口面的速度分布,故用这两个面的压力差P2-P1作为压力边界,在靠近机头的出口面加高压P2,在靠近加料口的入口面加低压P1(如图1所示)。模拟计算结果与讨论如图2所示,将坐标系建立在两根螺杆中心连线的中心点,并且选用笛卡尔坐标系统。根据双螺杆几何学计算出模型的节点坐标和
8、各单元的节点组成,单元采用八节点的六面体单元,单元总数为16800,单元划分如图1所示。采用ANSYS有限元分析软件求解螺纹流道的速度场和压力场。211速度场图3所示为用ANSYS计算出的螺纹流道横截面的速度分布。图中螺杆的转动方向为逆时针方向。可以看出,物料在螺杆的拖曳带动下,沿圆周方向运动,2图4机筒展开表面压力分布图21212啮合区的压力分布啮合区的压
