46-啮合同向三螺杆挤出机捏合段三维等温流场的数值分析-陈晋南

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1、啮合同向三螺杆挤出机捏合段三维等温流场的数值分析胡冬冬陈晋南北京理工大学化工与环境学院100081摘要：利用有限元软件包POLYFLOW数值模拟了并行排列和三角形排列的三螺杆挤出机及双螺杆挤出机中捏合块元件的三维等温流场，分析了三螺杆中物料的流动形态，比较了三种挤出机的熔体输送特性、挤出稳定性、瞬态混合特性及累积混合特性，并对正三角形排列的三螺杆所特有的中心区流动进行了分析。关键词：三螺杆挤出机捏合段三维等温流场数值分析NumericalAnalysisofthe3DIsothermalFlowintheKneadingBlocksoftheInter

2、meshingCo-rotating3-ScrewExtrudersDongdongHuandJinnanChenSchoolofChemicalEngineeringandEnvironmentalScience,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,PRChinaAbstract:Three-dimensionalisothermalflowsofpolymermeltinthekneadingblocksoftriangularly-arrangedandparallelly-arrangedint

3、ermeshingco-rotatingthree-screwextrudersalongwiththetraditionalintermeshingco-rotatingtwin-screwextruderaresimulatedusingthefiniteelementpackagePOLYFLOW.Basedonthevelocityfieldscalculated,flowpatternsinthethree-screwextrudersarevisualizedusingparticletrackingtechnique.Pumpingcha

4、racteristic,extrusionstability,instantaneousandcumulativemixingcharacteristicsareanalyzedanddiscussedforthethreetypesofmachines.Alsothepeculiarflowinthecentralregionofthetriangularly-arrangedthree-screwextrudersisstudiedwithparticletrackinganalysis.Keywords:Three-screwextruders,

5、Kneadingblocks,3-DIsothermalflow,NumericalAnalysis14引言螺杆类挤出机的广泛应用促进了挤出机的发展创新。近年来，人们在传统的双螺杆挤出机的基础上，研究开发了三螺杆挤出机[1-3]，以适应高速发展的聚合物工业对混合效果提出的更高要求。三螺杆挤出机以其灵活多变的几何排布方式、多个啮合区，形成物料在流向、流速上的多重变化，对质点在空间位置的分布产生了极其有益的影响，以优异的混合特性、小的长径比、较高的产能比受到关注。目前，国内外对三螺杆挤出的理论研究还处于定性分析的初步阶段[1]。由于三螺杆挤出机的流场比双螺

6、杆更加复杂，文献中还未见有对三螺杆挤出机流场数值模拟研究的报道。对于三螺杆挤出机，螺杆的几何排布方式可以有如下三种形式：一字型（并列型）、等边三角形和等腰三角形。本章利用POLYFLOW软件模拟了并行排列和三角形排列的三螺杆挤出机中捏合块元件的流场，并与双螺杆挤出机的流场进行了比较。图1三种挤出机的螺杆构型及有限元网格（MST）1螺杆元件特征尺寸及有限元网格划分三种挤出机采用相同的几何特征参数：螺杆根径42.0mm，机筒内径53.2mm，螺杆外径53.0mm，装配中心距48.0mm；其中，螺杆元件为三头捏合块，其错列角为30°，盘片厚度为6mm，捏合块

7、总长度为30mm[4]。14为克服因螺杆旋转而带来的网格划分的困难，使用网格叠加方法（MST）来生成有限元网格。三种挤出机的螺杆构型及有限元网格如图1所示。可以看到，MST方法在这里更进一步地体现了其独特的优越性，若使用真实流道开展三螺杆流场的模拟计算，其网格划分将比双螺杆更为复杂，且工作量更为繁重。2数学模型采用文献[5]中数学模型式（2-1）~（2-4），聚合物熔体为LDPE，其流变模型参数已在文献[5]第二章2.1.4节给出。计算中采用如下边界条件：螺杆转速为100rpm；机筒内壁和螺杆表面无滑移；流道进出口给定压强边界条件。为求得粒子轨迹，计算

8、了螺杆转过不同角度时的流场。对于三头螺杆元件而言，螺杆处于α角度时的流场与螺杆处于（α+120