场协同拉伸螺杆强化混合与传热机理的研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.09.017

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (9): 101-106.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.09.017

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场协同拉伸螺杆强化混合与传热机理的研究

黄士争¹(), 潘威¹, 朱家威¹, Sain Mohini², 杨卫民³, 曾宪奎¹, 鉴冉冉¹^,²^,⁴()

^1.青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 266061
^2.多伦多大学机械与工业工程系，生物复合材料及生物质材料加工中心，安大略省多伦多 M5S 3B3
^3.北京化工大学机电工程学院，北京 100029
^4.大连橡胶塑料机械有限公司，辽宁大连 116036

收稿日期:2023-12-29 出版日期:2024-09-26 发布日期:2024-09-27
通讯作者: 鉴冉冉，副教授，从事高分子材料加工成型与智能制造技术的研究，jianrr@qust.edu.cn
E-mail:1738922131@qq.com;jianrr@qust.edu.cn
作者简介:黄士争(1999-)，男，硕士研究生，从事高分子材料加工技术与装备的研究，1738922131@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金(52206095);山东省自然科学基金(ZR2021QE232);山东省高等学校青创科技支持计划(2023KJ102)

Study on enhancement mechanism of mixing and heat transfer of field⁃synergetic elongation screw

HUANG Shizheng¹(), PAN Wei¹, ZHU Jiawei¹, MOHINI Sain², YANG Weimin³, ZENG Xiankui¹, JIAN Ranran¹^,²^,⁴()

^1.College of Electromechanical Engineering，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao 266061，China
^2.Centre for Biocomposites and Biomaterial Processing，Department of Mechanical and Industrial Engineering，University of Toronto，Toronto，ON M5S 3B3，Canada
^3.College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China
^4.Dalian Rubber & Plastics Machinery Co，Ltd，Dalian 116036，China

Received:2023-12-29 Online:2024-09-26 Published:2024-09-27
Contact: JIAN Ranran E-mail:1738922131@qq.com;jianrr@qust.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

基于聚合物场协同塑化输运混炼原理，设计开发强化混合与换热的场协同拉伸螺杆新结构——场协同拉伸元件，利用ANSYS Polyflow 对普通双头螺纹螺杆和不同拉伸元件排布的场协同拉伸螺杆进行了数值模拟，对比分析了不同螺杆构型对聚合物胶料的混合性能、传热性能以及塑化均匀性的影响。结果表明，场协同拉伸螺杆综合性能均优于普通螺纹螺杆，其中，场协同拉伸元件集中排布的螺杆B传热性能最优，场协同拉伸元件分散排布的螺杆F混合性能最优；场协同拉伸螺杆中拉伸元件的径向收敛流道改变了速度场的方向，使速度矢量产生了径向分量，促进了速度场与温度梯度场、速度梯度场的协同相互作用，增加流场中的拉伸流动和拉伸形变，强化了热质传递输运过程。

关键词: 场协同原理, 场协同拉伸螺杆, 塑化质量, 强化传热传质

Abstract:

Based on the principle of polymer field⁃synergistic plasticization， transportation and mixing， a field synergistic elongation element with a new structure of field⁃synergistic elongation screw was designed and developed for enhancing mixing and heat transfer. The ANSYS Polyflow was employed to numerically simulate ordinary double head threaded screws and field synergistic elongation screws with different elongation element arrangements. The effects of screw configuration on the mixing performance， heat transfer performance， and plasticization uniformity of polymeric rubber were comparatively analyzed. The results indicated that the comprehensive performance of the field synergy elongation element was superior to that of the ordinary threaded screw. Among these screws， the heat transfer performance of screw B with concentrated arrangement of field synergy elongation element was the best， and the mixing performance of screw F with the dispersed arrangement of field synergy elongation element was the best. The radial convergence channel of the elongation element in the field synergy elongation element changed the direction of the velocity field， generating radial components in the velocity vector. This promoted the synergistic interaction between the velocity field and the temperature gradient and velocity gradient fields， increasing the stretching flow and deformation in the flow field and strengthening the heat and mass transfer and transportation process.

Key words: the principle of field synergy, field synergy elongation screw, enhance heat and mass transfer

中图分类号:

TQ320.66⁺3

黄士争, 潘威, 朱家威, Sain Mohini, 杨卫民, 曾宪奎, 鉴冉冉. 场协同拉伸螺杆强化混合与传热机理的研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(9): 101-106.

HUANG Shizheng, PAN Wei, ZHU Jiawei, MOHINI Sain, YANG Weimin, ZENG Xiankui, JIAN Ranran. Study on enhancement mechanism of mixing and heat transfer of field⁃synergetic elongation screw[J]. China Plastics, 2024, 38(9): 101-106.

图/表 10

图1 物理模型

Fig.1 Physical model model

参数	数值/mm
螺杆长度（L）	414
螺杆外径（D）	30
螺杆内径（d）	20
螺距（S）	30
场协同拉伸元件有效长度（l）	20
拉伸上斜面轴向长度（l₁ ）	15
拉伸下斜面轴向长度（l₂ ）	5

表1 物理模型几何参数

Tab.1 Geometric parameters of the physical model

参数	单位	数值
密度（ρ）	kg/m³	1 150
定压比热容（C_p）	J/kg·K	1 600
热导率（k）	W/m·K	0.25
无穷大剪切速率下的黏度（η_∞）	Pa·s	0
零剪切速率下的黏度（η₀ ）	Pa·s	175 000
自然时间（λ）	s	14
非牛顿指数（n）	n	0.408
温度系数（α）	K^-1	0.002 5
基准温度（T_α ）	K	353.15

表2 流体物性参数

Tab.2 Fluid properties parameters

位置	流动边界条件	热边界条件
流动入口	自由流动，体积流率 2.44×10^-6 m³/s	353.15 K（80 ℃）
流动出口	自由流动	热出口
机筒内表面	静止，壁面无滑移	343.15 K（70 ℃）
螺杆外表面	螺杆转速 60 r/min	绝热

表3 边界条件

Tab.3 Boundary conditions

图2 网格独立性验证

Fig.2 Mesh independence validation of model

图3 不同螺杆构型的性能分析

Fig.3 Performance analysis of different screw configurations

图4 场协同拉伸螺杆F不同截面处的温度及黏度云图

Fig.4 Temperature and viscosity contour map at different cross⁃sections of field synergistic elongation screw F

图5 场协同拉伸螺杆C流道内胶料流动形式及流线轨迹云图

Fig.5 Cloud map of the flow pattern and streamline trajectory of the rubber material in the channel of the field synergistic elongation screw C

图6 混合协同分析

Fig.6 Coordinated mixing analysis

图7 传热协同分析

Fig.7 Heat transfer coordinated analysis

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