平行差速三螺杆挤出机流体混合特性研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.05.016

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (5): 101-106.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.05.016

平行差速三螺杆挤出机流体混合特性研究

秦晓宇¹, 朱向哲¹(), 陈博涵², 王宇宇¹

^1.辽宁石油化工大学机械工程学院，抚顺 113001
^2.中国石油天然气股份有限公司大庆石化分公司炼油储运部，大庆 163000

收稿日期:2024-07-01 出版日期:2025-05-26 发布日期:2025-05-22
通讯作者: 朱向哲（1974—），男，教授，从事聚合物加工数值模拟研究，xzzhu@126.com
E-mail:xzzhu@126.com
基金资助:
国家自然科学基金(5197031333)

Study on fluid mixing characteristics of parallel differential three⁃screw extruder

QIN Xiaoyu¹, ZHU Xiangzhe¹(), CHEN Bohan², WANG Yuyu¹

^1.School of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun 113001
^2.Department of Oil Refining，Storage and Transportation，Daqing Petrochemical Branch，PetroChina，Daqing 163000，China

Received:2024-07-01 Online:2025-05-26 Published:2025-05-22
Contact: ZHU Xiangzhe E-mail:xzzhu@126.com

摘要/Abstract

摘要：

设计了一种转速比为1/5/5的平行排列三螺杆挤出机，该三螺杆挤出机具有几何结构的特殊性以及转速不同。为了研究平行差速三螺杆挤出机独特的流场特性，将其与转速比为1/1/5的平行差速三螺杆挤出机以及转速比为1/5的差速双螺杆挤出机进行对比。结果表明，与传统螺杆相比，由于结构的特殊性以及转速的不同，平行差速三螺杆挤出机发现了独特的复杂粒子轨迹并且啮合区周向速度场出现“二次流”现象，使得流道中物料出现往复运动，物料在流道中的停留时间增加，有利于物料的混合。在计算3组平行差速螺杆挤出机的混合性能相关参数时发现，转速比为1/5/5的平行差速三螺杆挤出机的混合性能较好。

关键词: 平行差速三螺杆, 流体混合特性, 分散混合, 分布混合

Abstract:

In this paper， a parallel differential tri⁃screw extruder with a speed ratio of 1/5/5 was designed. This tri⁃screw extruder has a geometric structure and asymmetry of rotational speed. To explore the unique flow field characteristics， the designed tri⁃screw extruder was compared with the parallel differential tri⁃screw extruder with a speed ratio of 1/1/5 and the differential twin⁃screw extruder with a speed ratio of 1/5. The results indicated that， compared to the traditional extruders， the parallel differential tri⁃screw extruder exhibited a unique complex particle trajectory along with the appearance of a phenomenon of "secondary flow" shown by a circumferential velocity field in the meshing zone appears due to the particularity of the structure and the different speeds. This makes the material in the runner reciprocate together with an increase in the residence time of the material in the runner. These results were conducive to the mixing of materials. When calculating the mixing performance parameters of three sets of parallel differential screw extruders， the parallel differential tri⁃screw extruder with a speed ratio of 1/5/5 were found to have better mixing performance.

Key words: parallel differential tri?screw, fluid mixing characteristics, dispersion mixing, distribution mixing

中图分类号:

TQ320.64

秦晓宇, 朱向哲, 陈博涵, 王宇宇. 平行差速三螺杆挤出机流体混合特性研究[J]. 中国塑料, 2025, 39(5): 101-106.

QIN Xiaoyu, ZHU Xiangzhe, CHEN Bohan, WANG Yuyu. Study on fluid mixing characteristics of parallel differential three⁃screw extruder[J]. China Plastics, 2025, 39(5): 101-106.

图/表 16

图1 差速螺杆端面型线

Fig.1 Differential screw end profile

图2 几何模型

Fig.2 Geometry models

五头螺杆的导程/

单头螺杆的导程/

五头螺杆的转速/

r·min^-1

单头螺杆的转速/

r·min^-1

表1 几何尺寸

Tab.1 Geometric dimensions

图3 螺杆及流道网格划分

Fig.3 Screw and runner meshing

图4 Z轴上Z=50 mm处X⁃Y截面速度矢量图

Fig.4 Vector diagrams of X⁃Y section velocity at Z=50 mm on the Z axis

图5 Z轴上Z=50 mm处X⁃Y截面速度云图

Fig.5 X⁃Y cross⁃section velocity contour at Z=50 mm on the Z axis

图6 Y轴上Y=0处X⁃Z截面速度云图

Fig.6 X⁃Z cross⁃section velocity contour at Y=0 on the Y axis

图7 沿轴向方向啮合区压力分布

Fig.7 Pressure distribution in the meshing zone along axial direction

图8 Z轴上Z=50 mm处X⁃Y截面压力云图

Fig.8 X⁃Y cross⁃section pressure contour at Z=50 mm on the Z axis

图9 粒子运动轨迹（沿Z轴正方向为挤出方向）

Fig.9 Particle motion trajectory （Extrusion direction along the positive Z axis）

图10 累积停留时间分布

Fig.10 Cumulative residence time distribution

图11 停留时间概率密度分布

Fig.11 Residence time probability density distribution

图12 分离尺度曲线

Fig.12 Separation scale curves

图13 Z轴上Z=50 mm处X⁃Y截面混合指数分布

Fig.13 Mixed index distribution of X⁃Y sections at Z=50 mm on the Z axis

图14 最大剪切应力概率密度函数

Fig.14 Probability density function of maximum shear stress

图15 对数拉伸率

Fig.15 Logarithmic elongation

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Study on fluid mixing characteristics of parallel differential three⁃screw extruder

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