螺杆构型对啮合异向双螺杆流场影响的仿真分析

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.10.018

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (10): 131-138.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.10.018

螺杆构型对啮合异向双螺杆流场影响的仿真分析

张一明¹^,², 黄志刚¹^,²(), 徐珍¹^,², 程媛媛¹^,²

^1.北京工商大学人工智能学院，北京 100048
^2.塑料卫生与安全质量评价技术北京市重点实验室，北京 100048

收稿日期:2023-06-13 出版日期:2023-10-26 发布日期:2023-10-23
通讯作者: 黄志刚（1966—），男，教授，从事食品包装机械与材料改性，huangzg@btbu.edu.cn
E-mail:huangzg@btbu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(32172277)

Simulation analysis of the influence of screw configuration on the flow field of meshing twin screw

ZHANG Yiming¹^,², HUANG Zhigang¹^,²(), XU Zhen¹^,², CHENG Yuanyuan¹^,²

^1.School of Artificial Intelligence，Being Technology and Business University，Beijing 100048，China
^2.Plastic Beijing Municipal Key Laboratory of Health and Safety Quality Evaluation Technology，Beijing 100048，China

Received:2023-06-13 Online:2023-10-26 Published:2023-10-23
Contact: HUANG Zhigang E-mail:huangzg@btbu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

以聚乳酸（PLA）为例，讨论异向双螺杆挤出机3种不同螺杆构型（阴阳转子螺杆头数比分别为2∶2、3∶2、4∶2）下的流道分布规律。依据理论端面曲线方程在Solidworks中创立上述3种不同螺杆构型的三维模型，使用Workbench软件对3种螺杆构型进行网格模型的建立，再使用Polyflow流体仿真软件进行模拟实际流场情况，得到后处理结果，使用后处理分析软件FieldView进行最终结果的分析；研究PLA流体的在不同螺杆构型下的压力、剪切速率以及黏度。同时使用Polystat统计模块对停留时间分布曲线RTD以及分布混合特性进行对比研究。结果表明，在螺杆转速为60 r/min和阳转子螺杆头数一定的条件下，随着阴转子螺杆头数的增加，压力波动减小，剪切作用提高，停留时间增加，分布效果提高，有利于材料的输出和混合。

关键词: 有螺杆挤出机, 异向啮合, 螺杆头数, 数值模拟, 流场分析

Abstract:

The flow channel distribution of three different screw configurations was discussed by taking polylactic acid （PLA） in a twin⁃screw extruder with different directions at ratios of screw heads to rotor of 2∶2， 3∶2， 4∶2. The 3D models for these three screw configurations were established by the SolidWorks software according to a theoretical end curve equation. The mesh models of the three screw configurations were established using the Workbench software， and the actual flow field was simulated using the Polyflow fluid simulation software to obtain the post⁃processing results. The final result was analyzed by using the FieldView post⁃processing analysis software. The pressure， shear rate， and viscosity of the PLA fluid were studied under different screw configurations. Meanwhile， the residence time distribution curve and distribution mixing characteristics were compared by using the Polystat statistical module. The results indicated that the pressure fluctuation decreased， the shear effect increased， the residence time increased， and the distribution effect increased with an increase in the number of screw heads of the negative rotor at a screw speed of 60 rpm with the certain number of screw heads of the positive rotor. There are advantageous to the output and mixing of materials.

Key words: screw extruder, opposite meshing, number of screw head, numerical simulation, flow field analysis

中图分类号:

TQ320.66⁺3

张一明, 黄志刚, 徐珍, 程媛媛. 螺杆构型对啮合异向双螺杆流场影响的仿真分析[J]. 中国塑料, 2023, 37(10): 131-138.

ZHANG Yiming, HUANG Zhigang, XU Zhen, CHENG Yuanyuan. Simulation analysis of the influence of screw configuration on the flow field of meshing twin screw[J]. China Plastics, 2023, 37(10): 131-138.

图/表 18

图1 头数比为2∶2的理论端面曲线

Fig.1 Theoretical end curve with a head ratio of 2∶2

图2 头数比为3∶2与4∶2的理论端面曲线

Fig.2 The theoretical end curve with the ratio of 3∶2 to 4∶2

模型名称	阴转子头数	阳转子头数	螺杆长度/mm	螺杆中距/mm	螺杆内径/mm	螺杆外径/mm	螺槽深度/mm	螺杆间距/mm
AC22	2	2	60	30	12	18	6	10
AC32	3	2	60	30	12	18	6	10
AC42	4	2	60	30	12	18	6	10

表1 螺杆元件建模参数

Tab.1 Screw element modeling parameters

流道长度/mm	流道中心距/mm	流道内径/mm	流道外径/mm
60	31	12	18.5

表2 流道区域建模参数

Tab.2 Channel area modeling parameters

图3 AC32异向双螺杆三维模型

Fig.3 Three dimensional model of twin screw of AC32

图4 螺杆元件及流道的有限元模型

Fig.4 Finite element model of screw element and flow channel

螺杆模型

阴转子头数

阳转子头数

阴转子转速/

$r · m i n - 1$

阳转子转速/

$r · m i n - 1$

AC22

AC32

AC42

螺杆模型

阴转子头数

阳转子头数

阴转子转速/

$r · m i n - 1$

阳转子转速/

$r · m i n - 1$

AC22

AC32

AC42

表3 螺杆模型转速参数

Tab.3 Screw model speed parameters

表3 螺杆模型转速参数

Tab.3 Screw model speed parameters

图5 不同螺杆构型下的压力云图

Fig.5 Pressure cloud diagram for different screw configurations

图6 轴向压力折线图

Fig.6 Axial pressure line diagram

图7 不同螺杆构型下的剪切速率云图

Fig.7 Shear rate nephogram of different screw configurations

图8 轴向剪切速率折线图

Fig.8 Line chart of axial shear rate

图9 不同螺杆构型下的黏度云图

Fig.9 Viscosity nephogram for different screw configurations

图10 轴向黏度折线图

Fig.10 Line chart of axial viscosity

时间切片序列	双螺杆模型
时间切片序列	AC22	AC32	AC42
Slice 0	2 000	2 000	2 000
Slice 1	1 752	1 696	1 601
Slice 2	1 710	1 625	1 535
Slice 5	1 604	1 512	1 385
Slice 10	1 443	1 269	1 140
Slice 20	1 134	1 007	1 041
Slice 30	963	966	1 012
Slice 45	929	957	1 004
Slice 60	910	956	920

表4 示踪粒子分布

Tab.4 Shows of the distribution of tracer particles

图11 停留时间分布曲线

Fig.11 Residence time distribution curves

图12 分布指数曲线

Fig.12 Distribution exponential curves

图13 示踪粒子混合图

Fig.13 Shows of the mixing of tracer particles

图14 分离尺度曲线

Fig.14 Separation scale curves

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