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1、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屮图分类号：TQ320.66PolyflowintheSimulationofTwin-ScrewExtrusionPeng
2、Jiong,HuDong-dongandChenJin-nan(SchoolofChemicalEngineeringandMaterialsScience,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081)Abstract:A3-Dnumericalmodelofthenon-isothermalflowinthekneadingzoneofaco-rotatingtwin-screwextruderwaspresented.Thenumericalresultswereobtainedbya
3、softwarepackagePolyflow・Thedistributionsofthepressureandvelocity,andtheinfluencesofthepressuredifferencebetweentheinletandoutletontheflowrates,temperatureandpressurewerealsopresented.Numericalresultsareofgreatsignificanceforguidingoftheoptimizationofkneadingdiscdesign
4、andtheselectionofprocessingparameters.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丄、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朵性，目前对双螺杆挤出机挤岀过程的理论研究还局限一定的模型冋。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，文献屮人多采用从机筒实体挖去捏
5、合块实体，形成流体的流道，对此流道进行数值求解⑷，但山于螺杆的转动，流道形状时刻在变化，这样，有限元网格处理的工作量相当人。本文采用Polyflow软件包提供的网格叠介技术⑴(MeshSupeipositionTechnique)对捏合段三维1F•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物理模型対于双螺杆挤岀机，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。木文的特色Z处：采用8点六面体单元，分别对捏合块和“歹字型流道进行网格划分，然后把捏合块和流道进行纽合，让捏合块在“8”字
6、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，捏合块与流道的重鹿区域定义为捏合块。捏合盘与机筒儿何关系及物理模型见图la.图lb。图la捏合盘与机筒几何关系（单位mm）图lb物理模型图中捏合块尺寸采用日木钢铁公司的TEX30挤出机捏合元件尺寸，III5个捏合盘按刃。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26mmo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町压聚合物熔体，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
7、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)€・v=0运动方程-Vpl+V・T=o能量方程pCpNT=WT：Vv木构方程V为速度向量，P为压力，I为单位张量，k为热传导系数，丁为温度，Q为密度，P为比热，T为应力张量，〃为表观粘度，是温度T和剪切速率7的函数，D为变形速率向量。聚合物熔体为非牛顿流体，其表观粘度〃除了与剪切速率7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"久(】+巧''exp[-b(T-Tq)]⑹弘为
8、零剪切粘度，2为Carreau模型参数，”为非牛顿指数，九为参考温度。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：Tq=473K,z=2.15s,n=0.38,%=26470Pa.s,b=0.02p=735kQm',k=0.15W111k
