幂律流体在单螺杆中的流场特性仿真分析

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.06.012

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (6): 59-65.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.06.012

幂律流体在单螺杆中的流场特性仿真分析

宋宇谟(), 董立佳(), 李国胜, 王金霞

大连橡胶塑料机械有限公司，辽宁大连 116000

收稿日期:2024-07-02 出版日期:2025-06-26 发布日期:2025-06-20
通讯作者: 董立佳（1998-），男，硕士，工程师，研究领域：单螺杆流场特性仿真研究，15504089553@163.com
E-mail:songyumo@dxs1907.cn;15504089553@163.com
作者简介:宋宇谟（1992-），男，硕士, 工程师, 主要从事机械设计工作，songyumo@dxs1907.cn

Simulation analysis of flow field characteristics of power law fluid in single screw

SONG Yumo(), DONG Lijia(), LI Guosheng, WANG Jinxia

Dalian Rubber & Plastics Machinery Co，LTD，Dalian 116000，China

Received:2024-07-02 Online:2025-06-26 Published:2025-06-20
Contact: DONG Lijia E-mail:songyumo@dxs1907.cn;15504089553@163.com

摘要/Abstract

摘要：

以幂律流体为研究对象，利用数值方法分析幂律流体在三维单螺杆模型中的流动规律，使用ANSYS Polyflow软件实现幂律流体在三维螺杆模型中的流动仿真。采用无量纲表示方式确保结论具有通用性。首先，计算得到不同幂律指数下，螺杆产量与压力梯度的关系，以此验证仿真方法的准确性。随后，提取螺杆螺槽中沿槽深方向的流场特性剖面，包括速度、剪切速率以及黏度，对各个变量在不同幂律指数、不同压力下的特性进行分析。最后对幂律流体流动规律进行结论，其中较为重要的规律为：随着幂律流体的幂律指数不断减小，其流场受压力的影响不断增大，导致螺杆输送能力降低。反映在黏度场上，则是流体在靠近槽上下端面的黏度不断减小，使得流体受螺杆的推进力减小，最终导致输送能力降低，甚至出现逆流。

关键词: 幂律流体, 单螺杆, 熔体输送, 压力流, ANSYS Polyflow

Abstract:

This study focuses on power⁃law fluid dynamics within a three⁃dimensional single⁃screw model. Numerical methods were employed to analyze the flow behavior of power⁃law fluids， and the ANSYS Polyflow software was utilized to simulate their flow patterns in the 3D screw geometry. Dimensionless parameters were adopted to ensure the generalizability of the results. First， the relationship between screw throughput and pressure gradient under varying power⁃law indices was calculated to validate the simulation method’s accuracy. Subsequently， flow field characteristics， including velocity， shear rate， and viscosity profiles along the depth of the screw channel， were extracted and analyzed， with emphasis on their variations under different power⁃law indices and pressure gradients. The study concluded with key findings on power⁃law fluid flow dynamics. Notably， as the power⁃law index decreases， the pressure⁃driven flow field of the fluid intensifies， leading to diminished screw conveying capacity. This is reflected in the viscosity field： reduced viscosity near the upper and lower surfaces of the screw channel weakens the response of fluid to screw⁃induced propulsion， ultimately decreasing conveying efficiency and potentially inducing reverse flow.

Key words: power law fluid, single screw, melt transport, pressure flow, ANSYS polyflow

中图分类号:

TQ320.66⁺3

宋宇谟, 董立佳, 李国胜, 王金霞. 幂律流体在单螺杆中的流场特性仿真分析[J]. 中国塑料, 2025, 39(6): 59-65.

SONG Yumo, DONG Lijia, LI Guosheng, WANG Jinxia. Simulation analysis of flow field characteristics of power law fluid in single screw[J]. China Plastics, 2025, 39(6): 59-65.

图/表 14

图1 单螺杆参数示意图

Fig.1 Schematic diagram of single screw parameters

图2 单螺杆几何模型

Fig.2 Single screw geometric model

参数名称	数值
螺杆长度L/m	0.7
机筒内径D_b/m	0.1
螺杆根径D_s/m	0.09
槽深h/m	0.005
螺距t/m	0.1
螺棱法向宽度e/mm	9.53
螺槽法向宽度/mm	85.76
螺距角φ_b/°	17.66

表1 单螺杆模型参数

Tab.1 Single screw model parameters

Π_p	n=0.2	n=0.4	n=0.6	n=0.8	n=1.0
0	0.00	0.00	0.00	0.00	0.00
0.1	17.23	17.07	16.90	16.74	16.58
0.2	34.47	34.14	33.81	33.48	33.16
0.3	51.70	51.20	50.71	50.23	49.74
0.4	68.93	68.27	67.62	66.97	66.32
0.5	86.17	85.34	84.52	83.71	82.90

表2 出口压力pi 与幂律指数关系列表 (MPa)

Tab.3 Relationship between outlet pressure pi and power law index

图3 幂律流体材料特性曲线

Fig.3 Power law fluid material characteristic curve

图4 基于数值仿真的不同幂律指数下单螺杆产量与压力梯度关系（无量纲）

Fig.4 Relationship between output and pressure gradient of single screw with different power law indices based on numerical simulation （dimensionless）

图5 单螺杆网格模型

Fig.5 Mesh of single screw model

方案编号	径向网格数量/个	轴向网格数量/个	周向网格数量/个	网格总数/万
1	10	150	100	15
2	15	200	120	36
3	20	250	120	60
4	20	300	160	96

表3 网格无关性验证的4种网格参数设置

Tab.4 Four mesh parameter Settings for grid independence verification

图6 结果剖面位置示意图

Fig.6 Schematic diagram of the position of the section used for the results

图7 不同网格方案螺槽流体的轴向速度对比（无量纲）

Fig.7 Comparison of axial velocities of spiral groove fluids in different mesh schemes （dimensionless）

图8 单螺杆流场分析最终选用的网格示意图

Fig.8 Mesh for the final selection of single⁃screw flow field analysis

图9 不同压力梯度下螺槽内沿径向速度剖面A为合速度剖面；B为压力流速度剖面；C为轴向速度剖面；1~5分别为n=1，0.8，0.6，0.4，0.2的速度剖面（无量纲）

Fig.9 Radial velocity profile in the spiral groove under different pressure gradients

图10 机筒内表面压力：幂律指数n=1，无量纲压力Πp=0

Fig.10 Pressure of barrel inner surface n=1， Πp=0

图11 不同压力下螺槽内沿径向剪切速率、黏度剖面A为剪切速率剖面；B为黏度剖面；1~5分别为幂律指数n=1，0.8，0.6，0.4，0.2的剖面结果（无量纲）

Fig.11 Radial shear rate and viscosity profiles in the spiral groove under different pressures

参考文献 21

1	JACOBI H R. Screw Extrusion Of Plastics Fundamental Theory［M］. London， UK： London Iliffe Books Ltd， 1963.
2	KROESSER F W， MIDDLEMAN S. The calculation of screw characteristics for the extrusion of non⁃Newtonian melts［J］. Polymer engineering and science， 1965，5（4）： 230⁃234.
3	MIDDLEMAN S. Flow of Power Law Fluids in Rectangular Ducts［J］. Transactions of the Society of Rheology， 1965，9（1）： 83⁃93.
4	GRIFFITH R M. Fully Developed Flow In Screw Extruders［J］. Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals， 1962，3（1）： 180⁃187.
5	ZAMODITS H J， PEARSON J R A. Flow of Polymer Melts in Extruders. Part I. The Effect of Transverse Flow and of a Superposed Steady Temperature Profile［J］. Trans Soc Rheol， 1969（13）： 357⁃385.
6	STELLER R T， IWKO J. Generalized Flow of Ellis Fluid in the Screw Channel［J］. Int Polym Process， 2001（3）： 241⁃248.
7	STELLER R T. Theoretical model for flow of polymer melts in the screw channel［J］. Polymer Engineering and Science， 1990，30（7）： 400⁃407.
8	ROLAND W， KOMMENDA M， MARSCHIK C， et al. Extended Regression Models for Predicting the Pumping Capability and Viscous Dissipation of Two⁃Dimensional Flows in Single⁃Screw Extrusion［J］. Polymers， 2019，11（2）： 334.
9	MARTIN B. Numerical Studies of Steady⁃State Extrusion Processes［D］. Cambridge，UK： University of Cambridge， 1969.
10	MARSCHIK C， ROLAND W， LÖW⁃BASELLI B， et al. A heuristic method for modeling three⁃dimensional non⁃Newtonian flows of polymer melts in single⁃screw extruders［J］. Journal of Non⁃Newtonian Fluid Mechanics， 2017，248： 27⁃39.
11	ROLAND W， MARSCHIK C， KRIEGER M， et al. Symbolic regression models for predicting viscous dissipation of three⁃dimensional non⁃Newtonian flows in single⁃screw extruders［J］. Journal of Non⁃Newtonian Fluid Mechanics， 2019，268： 12⁃29.
12	朱复华. 挤出理论及应用［M］. 北京：中国轻工业出版社， 2001.
13	袁明君. 单螺杆挤出的过程研究［D］. 北京化工大学， 1997.
14	马定. 单螺杆挤出机过程仿真［D］. 北京化工大学， 2001.
15	何红. 单螺杆挤出的亚宏观熔融理论及可视化研究［D］. 北京化工大学， 2001.
16	陈立芳. 单螺杆挤出机固液混合物料输送理论研究［D］. 北京化工大学， 2002.
17	王建华. 单螺杆挤出过程的数值模拟［D］. 北京化工大学， 2003.
18	邢应生. 螺杆冷却时单螺杆挤出过程熔融机理及相变行为的可视化研究［D］. 北京化工大学， 2004.
19	丁学良. 单螺杆挤出过程固体粒子输送的离散单元法研究［D］. 北京化工大学， 2012.
20	王国娟. 单螺杆挤出机三维模型几何变换算法的研究［D］. 北京化工大学， 2016.
21	黄硕. 单螺杆挤出机区域变换算法的研究［D］. 北京化工大学， 2017.

[1]	王超元, 陈欣, 林增, 祁纪浩, 庞志威, 沙金. 基于ANN代理模型的单螺杆计量段结构参数优化[J]. 中国塑料, 2025, 39(3): 95-101.
[2]	方胜杰, 毕超. 基于BP神经网络的挤出型材线径预测模型的开发及应用[J]. 中国塑料, 2019, 33(10): 54-58.
[3]	李晨昕, 薛平, 贾明印, 杨茜. 沟槽机筒单螺杆挤出机塑化特性的实验研究[J]. 中国塑料, 2017, 31(06): 111-117 .
[4]	李晨昕, 薛平, 贾明印, 金晓明. 沟槽机筒单螺杆挤出机塑化性能的模拟研究[J]. 中国塑料, 2017, 31(02): 99-107 .
[5]	岳梦岩, 薛平, 宋秀铎, 张军, 贾明印. 螺杆挤出技术加工火炸药的研究进展[J]. 中国塑料, 2015, 29(12): 1-7 .
[6]	李梦林, 刘凯, 黄志刚, 苏新. 聚乳酸用单螺杆挤出机熔体输送段数值模拟研究[J]. 中国塑料, 2015, 29(11): 102-107 .
[7]	金晓明, 贾明印, 薛平, 李珊珊, 王金阵. 沟槽机筒单螺杆挤出机耦合双槽熔融理论研究[J]. 中国塑料, 2015, 29(10): 88-93 .
[8]	杨昆晓, 余东泉, 孙靖尧, 信春玲, 何亚东. 三螺杆挤出机熔体输送能力的评价[J]. 中国塑料, 2015, 29(02): 109-114 .
[9]	李彬, 喻慧文杜遥雪, 冯彦洪. 间断副螺棱结构对挤出机内混沌混合影响的数值模拟[J]. 中国塑料, 2014, 28(04): 108-113 .
[10]	郭冰王克俭. 锥形单螺杆挤出机建压能力模型分析[J]. 中国塑料, 2013, 27(09): 85-88 .
[11]	王克俭, 郭冰. 锥形单螺杆挤出机产量模型分析 [J]. 中国塑料, 2013, 27(08): 91-94.
[12]	潘龙贾明印薛平金志明唐广利. 螺旋沟槽单螺杆挤出机中固体段压力分布研究[J]. 中国塑料, 2011, 25(04): 102-106 .
[13]	潘龙贾明印薛平金志明唐广利. 螺旋沟槽单螺杆挤出机双螺棱推动理论模型的研究[J]. 中国塑料, 2010, 24(11): 95-99 .
[14]	潘龙, 张玉霞, 金志明, 薛平. 单螺杆挤出机高速挤出技术研究进展[J]. 中国塑料, 2009, 23(08): 1-6 .
[15]	余兴兴, 瞿金平, 冯彦洪, 刘远峰. 螺杆轴向振动对PVC/木粉复合材料挤出片材力学性能的影响[J]. 中国塑料, 2008, 22(06): 54-57 .

幂律流体在单螺杆中的流场特性仿真分析

Simulation analysis of flow field characteristics of power law fluid in single screw

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 14

参考文献 21

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价