层叠流道中天然高分子挤压流动过程的数值模拟

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.01.010

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (1): 60-65.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.01.010

层叠流道中天然高分子挤压流动过程的数值模拟

王德建¹, 俞鹏飞¹, 丁玉梅¹^,², 杨卫民¹^,²()

^1.北京化工大学机电工程学院，北京 100029
^2.有机无机复合材料国家重点实验室，北京 100029

收稿日期:2022-04-02 出版日期:2023-01-26 发布日期:2023-01-26
通讯作者: 杨卫民（1965—），男，教授，从事高分子材料加工成型与先进制造研究，yangwm@mail.buct.edu.cn
E-mail:yangwm@mail.buct.edu.cn

Numerical simulation of extrusion flow process of natural polymers in laminated flow channels

WANG Dejian¹, YU Pengfei¹, DING Yumei¹^,², YANG Weimin¹^,²()

^1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029
^2.State Key Laboratory of Organic?Inorganic Composite Materials，Beijing 100029

Received:2022-04-02 Online:2023-01-26 Published:2023-01-26
Contact: YANG Weimin E-mail:yangwm@mail.buct.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

为探究层叠流道中天然高分子材料挤压流动过程与混合特性，建立层叠流道的三维物理模型和有限元网格模型，利用POLYFLOW软件计算了食品熔体在不同的入口流量，挤压过程中的压力、速度、剪切速率分布。结果表明，压力沿着挤出方向呈梯度递减，随着入口流量增大中间位置压力差增大；剪切速率在流道中变化明显，剪切速率从流道中间位置向四周递减，从壁面到流道内部递减；速度在流道内沿着挤出方向先增大后减小，靠近壁面速度小；层叠扭转流道的结构和尺寸设计，有助于提高天然高分子物料的混合效果，并且第1、4层流道混合效果优于第2、3层流道，提高入口流量也有利于提高物料的混合效果。

关键词: 食品挤压, 层叠流道, Polyflow软件, 数值模拟

Abstract:

To explore the extrusion flow process and mixing characteristics of natural polymers in the stacked flow channel， a three⁃dimensional physical model and a finite element mesh model of the stacked flow channel were established. The POLYFLOW software was used to calculate the flow rate of the food melt and the distributions of pressure， velocity， and shear rate during the extrusion process. The results indicated that the pressure decreased in a gradient along the extrusion direction， and the pressure difference at the middle position increased with an increase in the inlet flow rate. There is a significant change in shear rate in the flow channel. The shear rate tended to decrease from the middle position of the flow channel to the periphery and from the wall surface to the surrounding area. The speed increased at first and then decreased along the extrusion direction in the flow channel. The speed presented a small value near the wall surface. The structure and size design of the stacked twist flow channel can help to improve the mixing effect of natural polymers. The mixing effect in the 1^st and 4^th layer runners was better than that in the 2^nd and 3^rd layer runners. An increase in the inlet flow was also beneficial to the improvement of mixing effect.

Key words: food extrusion, laminated runner, Polyflow software, numerical simulation

中图分类号:

TQ320.66

王德建, 俞鹏飞, 丁玉梅, 杨卫民. 层叠流道中天然高分子挤压流动过程的数值模拟[J]. 中国塑料, 2023, 37(1): 60-65.

WANG Dejian, YU Pengfei, DING Yumei, YANG Weimin. Numerical simulation of extrusion flow process of natural polymers in laminated flow channels[J]. China Plastics, 2023, 37(1): 60-65.

图/表 11

图1 层叠流道的三维几何模型

Fig.1 Three⁃dimensional geometric model of laminated runner

图2 有限元网格模型

Fig.2 Finite element mesh model

图3 不同流量时压力分布云图

Fig.3 Cloud map of down⁃pressure distribution at different flow rates

图4 Q1流量时每层流道的压力变化曲线

Fig.4 Pressure change curve of each layer under Q1 flow rate

图5 不同入口流量时第1层流道的压力变化曲线

Fig.5 Change curve of layer 1 flow channel pressure under different inlet flow rate

图6 厚度分布云图

Fig.6 Cloud diagram of thickness distribution

图7 沿流动方向流道截面积变化曲线

Fig.7 Change curve of flow channel cross⁃section area along the flow direction

图8 中心截面示意图

Fig.8 Schematic diagram of the center cross⁃section

图9 Q1流量下中心截面剪切速率云图

Fig.9 Cloud map of the central cross⁃section shear rate under Q1 flow rate

图10 不同流量下剪切速率云图

Fig.10 Cloud map of shear rates under different flow rates

图11 不同流量下流道中心截面的速度云图

Fig.11 Cloud map of the center section of the flow channel under different flow rates

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