含能材料锥形双螺杆安全混合径向间隙的研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.11.019

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (11): 125-132.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.11.019

含能材料锥形双螺杆安全混合径向间隙的研究

张峻玮¹, 董力群¹, 马韵¹, 张军², 薛平¹()

^1.北京化工大学机电工程学院，北京 100029
^2.西安近现代化学研究所，西安 710065

收稿日期:2021-05-22 出版日期:2021-11-26 发布日期:2021-11-23

Study on Safe Mixing Radial Clearance of Conical Twin⁃screw for Extrusion of Energetic Materials

ZHANG Junwei¹, DONG Liqun¹, MA Yun¹, ZHANG Jun², XUE Ping¹()

^1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China
^2.Xian Modern Chemistry Research Institute，Xi'an 710065，China

Received:2021-05-22 Online:2021-11-26 Published:2021-11-23
Contact: XUE Ping E-mail:xuepmail@263.net

摘要/Abstract

摘要：

以锥形双螺杆挤出机挤出段、过渡体和挤出机头为研究对象，基于Polyflow非等温稳态和瞬态的有限元模拟，对不同径向间隙下流场中各场量分布情况和变化曲线进行分析，研究含能材料在挤出段、过渡体和挤出机头流道中的安全和混合问题。从安全和混合效果两方面考虑，建立了综合评价方法，优选径向间隙。结果表明，最大剪切速率、最高剪切应力和最高黏性耗散热均在挤出段流道入口附近，最高压力在挤出段流道出口处，最高温度在机头处；锥形双螺杆的混合效果随着间隙的增加而增加；在径向间隙为0.5 mm时，流道的安全性能最差，径向间隙为1 mm时，流道的安全性能最好。

关键词: 含能材料, 锥形双螺杆, 径向间隙, 安全性能, 混合效果

Abstract:

Taking the extrusion section， transition body， and extruder head of a conical twin?screw extruder as an research object， the non?isothermal steady?state and transient finite element simulation of Polyflow was conducted to analyze the distributions and change curves of each field in the flow field， their safe mixing issues of energetic materials in the flow channel were studied. Considering both safety performance and mixing effect， a comprehensive evaluation method was established， and the radial clearance was optimized. The results indicated that the maximum shear rate， highest shear stress， and highest viscous heat dissipation of the channel all took place near the entrance of the extruding segment. The highest pressure and temperature were located at the exits of the extruding section flow channel and extruder head， respectively. The mixing effect of the conical twin screw increased with an increase in radial clearance. When the radial gap was 0.5mm， the safety performance of flow channel was the worst. However， the screw exhibited the best safety performance at a radial gap of 1 mm.

Key words: energetic material, conical twin-screw, radial clearance, safety performance, mixing effect

中图分类号:

TQ 320.66

张峻玮, 董力群, 马韵, 张军, 薛平. 含能材料锥形双螺杆安全混合径向间隙的研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(11): 125-132.

ZHANG Junwei, DONG Liqun, MA Yun, ZHANG Jun, XUE Ping. Study on Safe Mixing Radial Clearance of Conical Twin⁃screw for Extrusion of Energetic Materials[J]. China Plastics, 2021, 35(11): 125-132.

图/表 18

参数	熔体稠度/N·sⁿ ? m^-2	幂律指数（无量纲参数）	温度敏感系数/K^-1	密度/kg·m^-3	比热容/J·（kg·K）^-1	热导率/W·（m·K）^-1	参考温度/K
符号	m	n	b	ρ	C_p	k	T_r
数值	5.5×10⁵	0.154	0.024 9	1 780	1 250	0.35	363.15

表1 含能材料流变和物性参数

Tab. 1 Rheological and physical parameters of energetic materials

螺杆代号	G0.5	G1	G1.5	G2
间隙/ mm	0.5	1	1.5	2

表2 径向间隙

Tab. 2 Radial clearance

图1 G0.5和G2类型下的挤出段螺杆模型

Fig.1 3D model of conical screw conveying section under G1 and G2 type

图2 流道三维模型

Fig.2 3D model of flow channels

图3 流道有限元模型

Fig.3 Flow channel finite element model

位置	流动边界条件	热边界条件
入口	inflow	338.15 K
机筒内壁面	壁面无滑移	Flux density imposed
锥形双螺杆	转速	328.15 K
挤出出口	自由流动	热出口

表3 流动边界条件和热边界条件

Tab. 3 Flow boundary conditions and thermal boundary conditions

图4 流道各场量分布情况

Fig.4 Distribution of each field in flow channel

图5 不同径向间隙下的压力变化曲线和最高压力

Fig.5 Curves of pressure and maximum pressure under different gap

图6 不同径向间隙下的黏性耗散热变化曲线和最高黏性耗散热

Fig.6 The curve of viscous heating and maximum viscous heating under different gap

图7 不同径向间隙下的温度变化曲线和最高温度

Fig.7 The curve of temperature and maximum temperature under different gap

图8 不同径向间隙下的剪切应力变化曲线和最高剪切应力

Fig.8 The curve of shear stress and maximum shear stress under different gap

图9 不同径向间隙下的挤出段累积停留时间

Fig.9 The cumulative residence time distribution of different gap flow field

图10 不同径向间隙下挤出段流道的加权平均剪切速率

Fig.10 The weighted average shear rate of flow field under different gap

图11 不同径向间隙下挤出段流道的加权平均剪切应力

Fig.11 The weighted average shear stress of flow field under different gap

图12 不同径向间隙下挤出段流道的平均回流系数

Fig.12 The average backflow coefficient of flow field under different gap

图13 不同径向间隙下安全风险系数变化曲线和最高安全风险系数

Fig.13 The curve of safety coefficient and maximum safety coefficient under different gap

图14 不同径向间隙下的混合系数

Fig.14 The mixing coefficient under different radial clearance

图15 不同径向间隙下流场的安全混合系数

Fig.15 The safety mixing coefficient of flow field under different radial clearance

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Study on Safe Mixing Radial Clearance of Conical Twin⁃screw for Extrusion of Energetic Materials

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