新型偏心三螺杆挤出机流体混合特性分析

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2022.07.021

中国塑料 ›› 2022, Vol. 36 ›› Issue (7): 150-156.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2022.07.021

新型偏心三螺杆挤出机流体混合特性分析

刘杨(), 朱向哲()

辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺 113001

收稿日期:2022-03-14 出版日期:2022-07-26 发布日期:2022-07-20
通讯作者: 朱向哲（1974—），男，博士，教授，从事聚合物加工数值模拟研究，xzzhu@126.com
E-mail:17640432443@163.com;xzzhu@126.com
作者简介:刘杨（1994—），男，硕士研究生，从事螺杆挤出机设计及有限元模拟，17640432443@163.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(5197031333)

Study on mixing characteristics in conveying section of new eccentric tri⁃screw extruder

LIU Yang(), ZHU Xiangzhe()

School of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113001，China

Received:2022-03-14 Online:2022-07-26 Published:2022-07-20
Contact: ZHU Xiangzhe E-mail:17640432443@163.com;xzzhu@126.com

摘要/Abstract

摘要：

在传统的三螺杆挤出机的基础上，设计了一种新型偏心三螺杆挤出机。该三螺杆挤出机中具有螺杆几何结构偏心、螺槽构型呈梯度变化特殊以及较高的面积利用系数等特征。利用有限元法对聚丙烯（PP）熔体在新型偏心三螺杆挤出机中流动和混合规律进行三维数值模拟，给出偏心三螺杆挤出机中压力和速度分布规律，计算了3种偏心螺杆挤出流场的停留时间分布、分布指数、分离尺度、最大剪切应力等混合表征参数。结果表明，螺杆偏心距不仅决定了螺杆端面形状，也改变了螺槽梯度的变化程度。随着螺槽梯度的逐渐减小，挤出机内粒子团聚效应逐渐降低、物料剪切作用逐渐增强。在3种新型偏心三螺杆挤出机中，偏心距e=3 mm的新型偏心螺杆挤出机的混合性能相对较好。

关键词: 新型偏心三螺杆挤出机, 偏心距, 螺杆端面, 螺槽梯度

Abstract:

A new eccentric three?screw extruder was designed on the basis of the traditional tri?screw extruder. The tri?screw extruder had the characteristics of eccentric screw geometry， special gradient change of screw groove configuration， and high area utilization coefficient. The three?dimensional numerical simulation of the flow and mixing law of polypropylene （PP） melt in the new eccentric three?screw extruder was carried out using the finite element method. The distribution law of pressure and velocity in the eccentric tri?screw extruder were presented. The mixing characterization parameters such as the residence time distribution， distribution index， separation scale， and maximum shear stress of the tri?eccentric screw extrusion flow fields were calculated. The results indicated that the screw eccentricity not only determined the shape of the screw end face but also changed the variation degree of the screw groove gradient. The particle agglomeration effect in the extruder decreased but the material shear effect increased with a gradual decrease in the spiral groove gradient. Among the three new eccentric tri?screw extruders， the new eccentric screw extruder with an eccentricity of 3 mm had relatively good mixing performance.

Key words: tri?screw extruder, eccentricity, screw end face, spiral groove gradient

中图分类号:

TQ320.64

刘杨, 朱向哲. 新型偏心三螺杆挤出机流体混合特性分析[J]. 中国塑料, 2022, 36(7): 150-156.

LIU Yang, ZHU Xiangzhe. Study on mixing characteristics in conveying section of new eccentric tri⁃screw extruder[J]. China Plastics, 2022, 36(7): 150-156.

图/表 14

图1 新型偏心三头螺杆端面啮合曲线

Fig.1 End face meshing curve of new eccentric three head screw

图2 不同偏心距螺杆组合图

Fig.2 Screw combination with different eccentricity

图3 不同偏心距螺杆组合截面图

Fig.3 Sectional view of screw combination with different eccentricity

图4 不同螺杆沿XZ面的剖视图

Fig.4 Sectional view of different screws along XZ plane

图5 螺杆及流道网格划分

Fig.5 Mesh division of the screw and runner

图6 Y轴上Y=-20 mm处X?Z截面压力云图

Fig.6 Pressure nephogram of X?Z section at Y=-20 mm on Y axis

图7 Y轴上Y=0处X?Z截面压力云图

Fig.7 Pressure nephogram of X?Z section at Y=0 on Y axis

图8 Z轴上Z=-1 mm（出口位置Z=0），t=1.7 s处X?Z截面速度矢量图

Fig.8 Velocity vector diagram of X?Z section at Z=-1 mm （outlet position Z= 0） and T = 1.7 s on Z axis

图9 不同位置沿Z轴正方向速度变化曲线

Fig.9 Velocity change curve along the positive direction of Z axis at different positions

图10 t=3.83 s时示踪粒子的空间分布

Fig.10 Spatial distribution of tracer particles at time of 3.83 s

图11 3组新型偏心三螺杆挤出机的停留时间分布曲线

Fig.11 Residence time distribution curve of the three groups of the new eccentric tri?screw extruders

图12 3组新型偏心三螺杆挤出机分布指数与分离尺度曲线

Fig.12 Distribution index and separation scale curve of the three groups of the new eccentric tri?screw extruders

图13 最大剪切应力

Fig.13 Maximum shear stress

图14 剪切应力均值

Fig.14 Mean shear stress

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Study on mixing characteristics in conveying section of new eccentric tri⁃screw extruder

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