同向双螺杆挤出过程不同螺杆组合的混合性能分析.pdf

北京化工大学硕士学位论文同向双螺杆挤出过程不同螺杆组合的混合性能分析姓名：刘青烽申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：冯连勋;马秀清20060609j E 京化工夫学硕士研究生掌位靛。文同向双螺杆挤出过程不同螺杆组合的混合性能分析摘要本文利用专业C F D(C o m p u t a t i o n a lF l u i dD y n a m i c s)软件P O L Y F L 0 w 对啮合同向双螺杆挤出过程不同螺杆构型下的组合流道进行了流场分析。建立了全充满状态下的三维等温非牛顿流场模型，模型的几何尺寸和边界条件取自实际尺寸和实际条件。流场模拟分为两个部分，一部分为稳态流场模拟，即流场计算与时问无关。通过编程计算出流道的结点坐标及单元的结点编号，建立有限元模型。另一部分为基于时间的拟稳态流场模拟，即流场计算考虑了时间的累积效应。通过P o L Y F L o w 的前处理模块G 呱侣I T 建立有限元模型。两种流场计算下的几何参数和边界条件一致。在稳态流场模拟中，对七种螺杆构型下的流场进行计算，得到了速度场、压力场、剪切速率场、剪切粘度场、剪切应力场等，并对结果进行了后处理。通过稳态流场的计算结果，分析了七种螺杆构型的正向输送能力、轴向分布混合能力和分散混合能力。在拟稳态流场模拟中，采用了P T A(P a n i c l eT r a c k i n gA n a l v s i s)法对流场计算结果进行了统计学后处理。后处理结果包括累积停留时间分布和停留时间分布、累积最大剪切速率分布、固定百分比示踪粒子最大剪切速率随时间分布、累积最大剪切应力分布等。通过这些结果分析了七种螺杆构型的轴向分布混合能力和分散混合能力。对两种流场模拟下所得的结果进行分析后，所得结论一致。七种螺杆构型的分布混合性能由大到小依次为：全反向捏合盘、正向捏合盘+反向捏合盘、正向螺纹+反向捏合盘、全正向捏合盘、正向螺纹+正向捏合盘、全正向螺纹，其中的全正向捏合盘包括错列角为6 0。和3 0。两种，分布混合能力前者高于后者；七种螺杆构型的分散混合性能由大到小依次为：全反向捏合盘、正向捏合盘+反向捏合盘、全正向捏合盘、正向螺纹+反向捏合盘、正向螺纹+正向捏合盘、错列角为6 0。的全正向捏合盘、全正向螺纹。最后，为了验证P O L Y F L 0 w 软件对双螺杆挤出流场计算的可行性和可靠性，进行了验证实验，考察了两种螺杆构型的分散混合能力。实验结果表明，流场计算结果是正确的。关键词：啮合同向双螺杆，螺杆构型，稳态流场分析，拟稳态流场分析，混合性能j C 京化工大学硕士研究生学位论文T H EM D【I N GC H A R A C T E R I S T I C SF o RD I F F E R E N TS C R E WC O N F I G U R A T I o N SI NC O R o T A T I N GT W I NS C R E WE X T R U S l 0 NA b s t r a c tI nt h i sp a p e r,t h ef l o wf i e l d so ft h ec o m b i n e dc h a n n e l so fd i f f e r e n ts c r e wc o n f i g u r a t i o n si ni n t e r m e s h i n gC O r o t a t i n gt w i ns c r e we x t r u s i o nw e r ea n a l y z e d T h ep r o f e s s i o n a lp a c k a g eo fC o m p u t a t i o n a lF l u i dD y n a m i c s，P O L Y F L O W,w a su s e dt os i m u l a t et h e s ef l o wf i e l d s T h et h r e e d i m e n s i o n a l i s o t h e r m a lN o n-N e w t o n i a nm o d e lo f 血l lf i l l e dc h a n n e lw a se s t a b l i s h e d T h eg e o m e t r ya n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n so ft h em o d e l sc o m ef r o mt h er e a lc o n d i t i o n s T h es i m u l a t i o n so ff l o wf i e l dc o n s i s to ft w op a r t s O n ew a st h es t e a d yf l o w,w h i c hi si n d e p e n d e n c eo nt i m e T h eF E Mm o d e l sw e r ea c h i e v e db yc o m p i l i n gCp r o g r a m A n o t h e ri st h eq u a s i-s t e a d yf l o wd e p e n d e n c eo nt i m e，a n dt h et i m ec u m u l a t i v ee f f e c tw a sc o n t a i n e d T h eF E Mm o d e l sw e r ea c h i e v e dt h r o u g hG A M B I T,t h ep r e m o d u l eo fP O L Y F L O W T h ec o n f i g u r a t i o n so fb o t hs i m u l a t i o n sw e r ei d e n t i c a l I nt h eS i m u l a t i o no fs t e a d yf l o w,t h ef l o wf i e l d so fs e v e nk i n d so fc h a n n e lw e r ea n a l y z e d，v e l o c i t yp r o f i l e，p r e s s u r ep r o f i l e，s h e a r-r a t ep r o f i l e，s h e a rv i s c o s i t yp r o f i l ea n dt h es h e a r-s t r e s sp r o f i l ew e r eo b t a i n e d P o s t p r o c e s s o rw a su s e dt oa n a l y z et h o s ep r o f i l e s T h ef o r w a r dt r a n s p o r t i n gp e r f o r m a n c e，a x i a ld i s t r i b u t i v em i x i n ga n dt h ed i s p e r s i v em i x i n go fs e v e nk i n d so fs c r e wc o n f i g u r a t i o n sw e r ea n a l y z e db a s e do nt h o s er e s u l t so ft h es t e a d yf l o w I nt h es i m u l a t i o no fq u a s i s t e a d yf l o w,as t a t i s t i c sa n a l y s i s，t h em e t h o do fP a r t i c l eT r a c k i n gA n a l y s i s，w a su s e dt op o s t t r e a tt h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n T h er e s u l t so fs t a t i s t i c sa n a l y s i si n c l u d et h eC u m u l a t i v eR e s i d e n tT i m eD i s t r i b u t i o na n dt h eR e s i d e n tT i m eD i s t r i b u t i o n，t h eC u m u l a t i v em a x i m u ms h e a r-r a t ed i s t r i b u t i o n，t h em a x i m u ms h e a r-r a t eo fj C j 荠1 匕工大掌领士研究生掌位论文p e r c e n tt r a c k i n gp a r t i c l ed e p e n d e n c eo ft i m ea n dt h eC u m u l a t i v em a x i m u ms h e a r-s t r e s sd i s t r i b u t i o ne t c T h ea x i a ld i s t r i b u t i v em i x i n ga n dt h ed i s p e r s i v em x x m gw e r ea n a l y z e dt h r o u g ht h o s er e s u l t s T h ec o n c l u s i o n sb a s e do nt h et w os i m u l a t i o n sa r ei d e n t i c a l T h ea x i a ld i s t r i b u t i v em i x i n go fs e v e nk i n d so fs c r e wc o n f i g u r a t i o n sa r r a n g e df r o ms 仃o n gt ow e a k：a l lr e v e r s ek n e a d i n gb l o c k s，f o r w a r dk n e a d i n gb l o c k sa n di n v e r s ek n e a d i n gb l o c k s，p o s i t i v es c r e we l e m e n t sa n di n v e r s ek n e a d i n gb l o c k s a 1 1f I o n v a r dk n e a d i n gb l o c k s，p o s i t i v es c r e we l e m e n t sa n df o r w a r dk n e a d i n gb l o c k s，a 1 1p o s i t i v es c r e we l e m e n t s A l lf o r w a r dk n e a d i n gb l o c k sc o n s i s t so ft w ot y p e so fs t a g g e ra n g l e，6 0。a n d3 0。，t h et y p eo fs t a g g e ra n g l e6 0。i sh i g h e rm a l l3 0。T h ed i s p e r s i v em i x i n go fs e v e nk i n d so fs c r e wc o n f i g u r a t i o n sa r r a n g e df r o ms t r o n gt ow e a k：a l li n v e r s ek n e a d i n gb l o c k s，f o r w a r dk n e a d i n gb l o c k sa n di n v e r s ek n e a d i n gb l o c k s，a l lf o r w a r dk n e a d i n gb l o c k s，p o s i t i v es c n j we l e m e n t sa n di n v e r s ek n e a d i n gb l o c k s，p o s i t i v es c r e we l e m e n t sa n df o r w a r dk n e a d i n gb l o c k s，s t a g g e ra n g l e6 0。a l lf o r w a r dk n e a d i n gb l o c k s，a l lp o s i t i v es c r e we l e m e n t s F i n a l l y,i no r d e rt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t ya n dt h ev a l i d a t i o no fu s i n gt h eP O L Y F L O Wp a c k a g et os i m u l a t et h et w i ns c r e we x t r u s i o n e x p e r i m e n t sw a sp e r f o r m e dt oc o n f i r mt h er e s u l t so fs i m u l a t i o n a n dt h ed i s p e r s i v em i x i n go ft w ok i n d so fs c r e ww e r er e s e a r c h e d T h ee x D e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tt h er e s u l t so fs i m u l a t i o nw e r ev a l i d K e y w o r d s：i n t e r m e s h i n gC O r o t a t i n gt w i ns c r e w,s c r e wc o n f i g u r a t i o n s，s t e a d yf l o wf i e l da n a l y s i s，q u a s i s t e a d yf l o wf i e l da n a l y s i s，m i x i n gp r o p e r t i e s-1 1 l 一j E 京化工大掌司咕研蓦：生掌位论文加权平均剪切应力，M P a流道横截面面积，m 2出入口压差，M P a主机功耗，W入口压力，m a出口压力，M P a主机电流，A主机螺杆转速，r m i n。加料螺杆转速，r r a i n 5螺杆元件的连接，4 肇如n 如，M珠+j E 京化工大掌硕士研究生掌位论文第一章绪论1 1 前言聚合物加工工业是现代新兴工业中的重要行业。聚合物材料广泛应用于机械、电子、化工、建筑、交通、医疗、航空航天等国防及民用各工业部门。随着现代工业的发展，聚合物材料加工水平有了很大的进展，新材料的应用越来越多，由此，催生了新型材料的研究。对新型聚合物材料研究的重要的一个分支就是聚合物改性。聚合物改性是一条经济、快捷、节能、对环境友好的新材料加工工艺。聚合物改性主要是研究聚合物材料之间或聚合物和各种添加剂之间的相互混合过程。这种聚合物混合工艺是离不开混炼设备的。在聚合物材料加工中，有一种重要的混炼设备，那就是挤出机。挤出机的发展，大大提高了聚合物材料的加工水平和应用范围。挤出机主要分为单螺杆挤出机、双螺秆挤出机和多螺杆挤出机。现代挤出工艺开始的标志是1 9 3 5 年由德国人制造成功的专门为热塑性塑料设计的第一台单螺杆挤出机。经过7 0 多年来的发展，挤出机已经由第一台单螺杆挤出机已经发展成为现在种类繁多的单螺杆、双螺杆挤出机。但是在种类各异的挤出机中，双螺杆挤出机属于应用最为广泛的一种。对双螺杆挤出过程的研究主要是理论和实验结合的研究，与对单螺杆挤出过程的研究相比，差距较大。一方面是由于双螺杆挤出机的应用历史比不上单螺杆挤出机长，因而研究不够：另一方面由于双螺杆几何学的复杂性和物料在其中输送过程的复杂性，因而造成了对它研究的困难。如果也把物料在双螺杆挤出机中的输送过程像在单螺杆挤出机中的输送过程那样分为固体输送区、熔融区和熔体输送区，则目前关于双螺杆挤出过程的理论实验研究重点集中在熔体输送区。首先是因为这一区域对物料的输送和混合更明显地影响着双螺杆挤出机的特性。其次，这一区段物料已是熔体，有相关的流体力学和流变学基础知识作为研究的基础。由于双螺杆挤出机要完成许多混合任务，因此目前关于双螺杆挤出机的混合机理研究得也比较多。将双螺杆挤出机当作混合机，是因为它能满足大多数聚合物混合工艺的要求，因而发展特别迅速。把双螺杆挤出机用作连续混炼机时，可以对聚合物进行共混改性、填充改性和增强改性；另外，双螺杆挤出机还可以用来进行反应挤出。j 匕京 匕工犬掌硕士研咒半m 镕文有C h a r l e sH o w l a n d 和L e 谢sE n v i n 关于单螺杆挤出机和双螺杆挤出机混合速率的比较方面的研究，还有J N i c h o l s 将同向双螺杆挤出机和单螺杆挤出机的螺卡T 特性曲线作过对比，提出过双螺杆挤出机中存在一种纵向混合流动的概念【l i。根据上面的叙述可以看出同向双螺杆挤出机在聚合物加工中的重要地位，关于它的研究有待于进一步展开。表1 1 啮合同向双螺杆挤出机的发展过程发展阶段发明者参考文献啮合同向双螺杆挤出机W u n s c h eG e r m a nP a t e I n1 3 l。3 9 2(1 9 0 1)R W：E a S t o nB r i t i s hP a t e n t1 0 9，6 6 3(1 9 1 7)U S 飚t e m1，4 6 8，3 7 9(1 9 2 3 1F F P e a s eU S P a t e n t2，0 4 8，2 8 6(1 9 3 6)R C o l o m b oI 扭l i a I l 胁e n t3 7 0，5 7 8 n 9 3 9)W M e s k a t R E r d m e n 驿rG e n n a l lP a t e n t8 6 2，6 6 8(1 9 5 3)有捏合盘的啮合同向混、M K N e l s o nU S P a t e n tl，8 6 8，6 7 l(1 9 3 2)炼机R E r d m e n g e rG e r n l P a t e m8 1 3，1 5 4(1 9 5 4)U S，P a t e m2，6 7 0，1 8 8(1 9 5 4)G e r n l a f lP a t e n t9 4 0，1 4 9(1 9 5 6)U S P a 把n t2，8 1 4，4 7 2(1 9 5 7)积木式螺纹元件的啮合W M e s k 砒&J P a w l o w s k jG e H n a l lP a t e n t9 4 7，1 6 2(1 9 5 2)同向双螺杆挤出机积木式螺纹元件及捏合R E r d m e r 曙e rU，S，P a 栳n t3，1 2 2，3 5 6(1 9 6 4)块的啮合同向双螺杆挤B A L 0 0 m a l l sU S P a t e n t3，1 9 5，8 6 8(1 9 6 5)出机A K B r e 曲a n1 2 2 双螺杆挤出过程数值研究的进展同向双螺杆挤出机在聚合物加工中占有非常重要的地位。多年来，在同向双螺杆挤出机的设计和制造上已经取得了很大的进步，但是，由于这种挤出机的流道形状和物料运动的复杂性，人们对其挤出过程和挤出机理的认识和理解仍然处于很初级的阶段。为了探索双螺杆挤出过程的固体输送机理、熔融机理、熔体输送机理和混合机理，人们采用了数学模拟和实验分析相结合的方法试图用数学和物理模型来描述双螺杆挤出过程。当然，现代计算机技术的发展也为我们提供了有力的工具。要采用数值模拟的方法研究挤出过程，首先就需要建立具体的物理模型，同时还需要建立相应的数学模型，用数学关系表达挤出过程中各种变量之间的关系，这是计算机模拟的基础。对双螺杆挤出机理研究起始于2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 4 年，E r d m e n g e r【5 崤出，在啮合同向双螺杆挤出流道中存在螺旋“o。”字型流动。1 9 6 9 年，F l u m e r f i e l d 6 1 等人详细讨论了等温幂律流体在平彳亍平板中的流动问题。7 0 年代，人们对双螺杆挤l E 京化I 大掌硕士研究生掌位聍x际运转条件下的问题，则必须对上面的曲线进行修正。通常的修正方法有三种：中心距修正、轴截面曲线修正和法面曲线修正。在这三种方法中，通常采用的是中心距修正法。在设计过程中，采用修正方案进行设计，而在装配过程中，按理论曲线设计进行装配。p(一)=足酬一一争+厣卅呐口一争J 旦口三一旦I222l 翌+竺s 臼月一堡 222J F 十竺口里一兰222I 三!+旦p 2 z 一旦【222I 三一竺兰目s 三+竺 2222 堡一竺自里+竺(2 4)2 3 聚合物加工中的混合过程【1】2 3 1 混合机理混合过程是聚合物加工普遍存在的、必不可少的重要过程。在实际上，聚合物改性过程中，一旦配方确定下来后，要研究的问题就是如何将配方中的各组分混合起来。广义上说，聚合物热的均化、分子量分布的均化、排气等都跟混合分不开。混合是一种趋向于减少混合物非均匀性的操作过程，也即是在整个系统的全部体积内，各组分在其基本单元没有本质变化的情况下的细化和分布。对混合机理的研究目前还没有统一认识。下面介绍一下B r o d k e y 的混合理论。B r o d k e y 将混合的扩散过程分为三种基本的运动形式：分子扩散(m o l e c u l a rd i f f u s i o n)，涡旋扩散(e d d yd i f f u s i o n)和体积扩散(b u l kd i f f u s i o n)。下面分别来介绍一下这三种扩散形式。分子扩散：由浓度梯度驱使自发地发生的一种过程，各组分的微粒子由浓度较大的区域移到浓度较小的区域，从而达到各处组分的均化。分子扩散在气体和a 一2竺：细占口 j 乡4 一影?蓬嘉?堆压垒鬣第鞘骺i掣弱酬她托君媳辇垒；薹啜浑蔓而污；毵萋了囊静j t 京1 七工大掌硕士研究生掌位论文压力呈现明显的“v”字形分布，该“v”字犁是正、反向捏合盘元件所形成的，高压区位于正向捏合盘和反向捏合盘的交接处的推力丽上。全正向螺纹流道全反向捏合盘流道全正向捏合盘流道正向螺纹+正向捏合盘流道正向螺纹+反向捏合盘流道正向捏合盘十反向捏合盘流道错列角为6 0。的全正向捏合盘流道图舢5 七种流道的压力场分布云图(P a)F i g4-5P r e s s u r ep r o f i l e s一3 lj C i 扭大掌司E 研咒生掌位论文4 1 6 3 剪切速率场图4-6 所示为这七种流道的剪切速率场分布图。单位为：s。由图可知，螺纹元件和捏合盘元件螺棱顶部以及啮合区的剪切速率晟火，听螺纹元件的螺槽根部和捏合盘元件螺槽根部剪切速率则相对较小。这是因为螺棱顶部与机筒内壁间隙很小，该处速度梯度大，凶此，该处产生的剪切速率就很大：而螺槽处，速度梯度小，故剪切速率也小。同时还可以看到，在螺棱处捏合盘元件的最大剪切速率的区域要比螺纹元件的最大剪切速率区域宽，这是由于捏合盘元件的螺棱比螺纹元件的螺棱宽的缘故。对比一下七种流道在上述图中的最大剪切速率。从图中可以看到，流道中的最大剪切速率在所有流道中是最小的，因此该流道内物料所承受的剪切作用最小。流道要稍高一些，这是由于该流道中是6 0 0 正向捏合盘元件，增强了剪切作用。流道与流道相比，差别不大，而流道比这二者又大。流道的最大剪切速率与流道差不多，而流道的最大剪切速率与之相比又更高一些。流道的最大剪切速率在所有的组合流道中是最高的，因为该流道为全反向捏合盘元件，属于阻力元件，故该流道中窄间隙区的速度梯度要更人，因而剪切速率更大。由此可以看出，反向捏合盘元件具有较强的剪切作用，正向捏合盘元件与之相比要差一些，而正向螺纹元件的剪切作用则最差。全正向螺纹流道全正向捏合盘流道j 匕京1 七工大学硕士研究生学位论文全反向捏合盘流道正向螺纹+正向捏合盘流道正向螺纹+反向捏合盘流道正向捏合盘+反向捏合盘流道4 1 6 4 剪切粘度场错列角为6 0。的全正向捏合盘流搏图4 6 七种流道的剪切速率场(s-1)F i g4 6S h e a r-r a t ep r o f i l e s网4 7 为这七种不同螺杆构型的流道的剪切粘度场。图中的七种流道中，螺纹元件和捏合盘元件的螺棱顶部粘度值最小，而螺纹元件的螺槽根部和捏合盘元件螺旋流道的螺槽根部粘度值最大。这是因为螺棱顶部与机筒内壁间隙很小，而该处速度梯度大，因此，该处产生的剪切速率很大，故粘度值较小：而螺槽部分j C 泵 晦大掌司 研冤生掌位论叉速度梯度要小，剪切速率也小，导致粘度在该处就比较大。在这七种流道的稀度图中，各流道的最大秸度值相差不大，即物料在某些地方几乎没受到剪切。所不唰的是最小剪切粘度。最小剪切粘度越大，晚明剪切作用越差。流道的最小剪切粘度为2 2 1P a s。流道的最小剪切粘度为1 9 0 P a s。流道的最小剪切粘度为1 8 0 P a s，与流道比起来，它由于加入了正向捏合盘元件，故它的剪切作用要好一些。流道的最小剪切粘度为1 7 0 P a s，这是由于螺杆构型中加入的反向捏合盘元件中存在更大的剪切速率，因而该剪切作用更强一些。流道和流道之间的最大粘度值以及它们之间的最小粘度相差不大，其中后者的最小粘度值要更小一些。流道的最小剪切粘度是最小的。流道的最小剪切粘度最大。通过以上结果分析可知，物料在正向捏合盘元件中的剪切粘度要小于正向螺纹元件的剪切粘度，而反向捏合盘元件的剪切粘度又小于正向啮合盘元件的剪切粘度。错列角为3 0。的捏合盘剪元件切速率要大于错列角为6 0 0 的捏合盘元件。全正向螺纹流道全正向捏合盘流道全反向捏合盘流道正向螺纹+正向捏合盘流道j t 京化工大学面E 士研究生掌位论文正向螺纹+反向捏合盘流道正向捏合盘+反向捏合盘流道4 1 6 5 剪切应力场错列角为6 0。的全正向捏合盘流道图4 7 七种不同流道的剪切粘度场(P a s)F i g4-7S h e a rv i s c o s i t yp r o f i l e s图4 8 为这七种流道的剪切应力场图。单位为：M P a。图中所示的七种流道中，螺纹元件和捏合盘元件的螺棱处剪切应力较大，螺棱顶部以及左右流道啮合区之间的剪切应力最大，而螺纹元件的螺槽根部和捏合盘元件螺槽根部剪切应力则相对较小。这是因为螺棱项部的剪切速率大，因此剪切应力也大。而螺槽处剪切速率小，故剪切应力也小。同样的，在螺棱处捏合盘元件产生的最大剪切应力区域比螺纹元件的最大剪切应力区域要宽，这是因为捏合盘元件的螺棱比螺纹元件的螺棱要宽。对比一下各流道在上述图中的最大剪切应力。从图中可以看到，流道中的最大剪切应力在所有流道中是最小的，因此，全正向螺纹流道的剪切作用最差。流道的又要稍大一些。这是由于该流道中正l 向捏合盘元件的加入，增强了剪切作用。流道与流道差别不大，流道与流道相比，最大剪切应力则更大一些，这是由于反向捏合盘元件能提供更大的剪切应力。流道的最大剪切应力与流道相差不大，流道的最大剪切应力与之相比则又更高一些。流道的最大剪切应力在所有的组合流道中是最高的。此结果与七种流道的剪切速率场是相互一1 一j t 京化工大掌硕士研究生学位论文错列角为6 0。的全正向捏合盘流道图4 8 七种流道的剪切应力场(P a)F 培4 8s h e a r-s 廿s sp r 0 6 1 e S4 1 7 结果后处理及其分析为了将这七种流道流场分析的结果清楚地表达出来，本小节将把P O n T L O W的求解结果进行后处理，以沿挤出方向展开的方式进行表述。图4 9 是啮合同向双螺杆挤出过程的螺杆机筒的几何关系图。图中A、B 相位为左右流道中相互对应的位置，C 相位在左右流道交界处正下方，这三个相位离机筒内壁均为O 1 m m。轴向压力、剪切粘度和剪切速率在左右流道和啮合区沿挤出方向的分布图均由这三相位沿轴向上展开。对七种流道分布混合性能的分析主要是考察各流道中分布混合系数的大小。挤出方向上的分布混合系数是垂直于螺杆轴线的横截面上的加权平均回流量除以该横截面上的净流量所得。挤出方向上的平均剪切应力分布是流道中垂直于螺杆轴线的横截面上的加权平均剪切应力分布。同时在进行结果后处理时，为了消除模拟计算时的边界效应，在流道的入口和出口分别除去了5 m m 的距离，因此，在实际的结果讨论中，所分析的流道只有n o m m 的距离。瑟Yo涨辽处图4 9 螺杆机筒关系图F 1 94 9T h er e l a 啪s h i po f s c r e w s&b a r r e l北京化工大学硕士研究生掌位论文(a)左右流道正向螺纹+正向捏合盘流道(a)左右流道(b)啮合区正向螺纹+反向捏合盘流道(a)左右流道正向捏合盘+反向捏合盘流道|l|一(b)啮合区(a)左右流道(b)啮合区错列角为6 0。全正向捏合盘流道图4 一l O 七种流道沿挤出方向的压力分布曲线F i g 4 1 0P r e s s u r ed i s t r i b u t i o na l o n ge x t r u s i o nd i r e c t i o n(a)l e f ta n dr i g h tf l o wc h a n n e l(b)n i pz o n e-3 9 j t 京 I t Y-大掌硕士研究生学位论文向捏合盘元件属于阻力元件，只有反向输送能力，必须依靠高于出口压力的入口高压，以克服反向捏合盘元件中的反向流动所产生的阻力，才能沿挤出方向输送物料。43 1 23-5 la 3全正向螺纹流道爷2一豳网圈全I I：向捏合盘流道全反向捏合盘流道里正向螺纹+正向捏剁。蕤豳幽幽台盘流道吉一z一1。6 9 一1 2 1 1 2：3正向螺纹+反向捏台盘流道丑一4正向捏合盘+反向捏合盘流道6，7 0 6错列角为6 0。的伞8止向捏合盘流道图4 1 1 七种流道的出入口压差图F i g 4 11D i f f e r e n t i a lp r e s s u r eb e t w e e ne x i t&e n t r a n c e4 1 7 2 分布混合性能的比较各螺杆构型形成的流道中，回流量是不一样的，通过回流量的比较，可以在一定程度上分析该螺杆构型的分布混合性能。图4 1 2 所示为七种流道中的回流量。从图中可以看到，全反向捏合盘流道的回流量最大，其次为正向捏合盘+反向捏合盘流道，再次为正向螺纹+反向捏合盘流道，然后是错列角为6 0。的全正向捏合盘流道，接着是全正向捏合盘流道，然后是正向螺纹+正向捏合盘流道，最后是全正向螺纹流道。从中可以看出，螺杆构型中含有反向捏合盘元件的话，则该流道中，回流量会显著加大。图4 1 2 七种流道的回流量比较F i g 4-1 2t h ec o m p a r i s o no f b a c k f l o wr a t eo f s e v e nk i n d so f c h a n n e l s图4 1 3 为这七种流道垂直于螺杆轴线的横截面上分布混合系数沿轴向的变化j t 京化工大掌硕士研究生学位论文图4 一1 4 分布混合系数G 比较F i g 4-1 4C o m p a r i s o no f d i s t r i b u t i o nm i x i n gc o e f f i c i e n tG4 1 7 3 剪切速率场图4 1 5 为这七种组合流道沿挤出方向的剪切速率分布。其中(a)图为左右流道中对应于图4 9 中A、B 两相位的剪切速率沿轴向的展开图，(b)图为啮合区中C 相位的剪切速率沿挤出方向的展开图。从图中可以看到，这七种组合流道在沿挤出方向上的剪切速率分布规律有其共同特点：即各流道最大剪切速率均位于螺杆与机筒内壁之间的最小间隙处，即流道中的螺纹元件螺棱处和捏合盘元件螺棱处；而最小剪切速率位于螺杆与机筒内壁的最大间隙处，即螺纹元件的螺槽处和捏合盘元件螺槽处。因为螺棱处与机筒内壁闾相对速度大，则速度梯度大，因此剪切速率高；螺槽处相对速度小，则速度梯度小，因此剪切速率小。七种流道中，沿轴向的最大剪切速率峰值与轴向的螺棱数相等，左右流道中物料受到的高剪切主要发生在输送元件的螺棱处。同时对比一下七种流道中，各流道在啮合区和左右流道的剪切速率分布曲线，可以看到，啮合区的最大剪切速率要高于左右流道的最大剪切速率。这说明，物料在啮合区所受的剪切作用要强于左右流道的剪切作用。这是因为在啮合区，两根螺杆的间隙非常小，螺杆间相互运动方向相反，因此速度梯度要大于螺棱与机筒内壁间的速度梯度。因此，啮合区的最大剪切速率要高于左右流道。各流道在轴向上的剪切速率分布又各有不同，流道在轴向上经过高剪区的次数较多，而流道经过高剪区的次数则相对较小，但是其最大剪切速率分布要宽，这是因为捏合盘元件螺棱比螺纹元件螺棱要宽。流道与流道相比，二者在左右流道的最高剪切速率相差不大，但是在螺槽处的剪切速率，前者在螺槽处j t 京喇正大学硕士研究生学位论文剪切速率基本上没有变化，而后者在螺槽处剪切速率曲线是向上凸起的，故总体比较起来，后者的剪切速率要高于前者。流道与流道在流道的正向螺纹段同全正向螺纹元件，剪切速率曲线分布规律一致，二者分别在正向捏合盘和反向捏合盘段的剪切速率，后者要高于前者，故总体上比较，后者要高于前者。流道中剪切速率分布曲线正向捏合盘段同流道，而反向捏合盘段同流道。流道在左右流道的分布规律类似于流道，在啮合区的分布规律同左右流道。(a)左右流道全正向螺纹流道(a)左右流道(b)啮合区全正向捏合盘流道(a)左右流道(b)啮合区全反向捏合盘流道(b)啮合区北京f 旺大掌硕士研究生掌位论文_!(a)左右流道正向螺纹+正向捏合盘流道(a)左右流道(b)啮合区正向螺纹+反向捏合盘流道(a)左右流道(b)啮合区正向捏合盘十反向捏合盘流道(b)啮合区(a)左右流道(b)啮合区错列角为6 0。的全正向捏合盘流道图4 一1 5 七种流道沿挤出方向的剪切速率分布F i g 4-1 5S h e a r-r a t ed i s t r i b u t i o na l o n ge x t r u s i o nd i r e c t i o n(a)L e f ta n dr i g h tf l o wc h a n n e l(b)N i pz o n e-4 6 j C 泵化工；K 掌硕j 研咒字E m 天图4 1 6 为各流道总的加权平均剪切速率的比较图。从图中可以看到，这七种流道总体的剪切速率由大到小依次为：全反向捏合盘流道、正向捏合盘+反向捏合盘流道、正向螺纹+反向捏合盘流道、全正向捏合盘流道、正向螺纹+正向捏合盘流道、错列角为6 0。的全正向捏合盘流道、全正向螺纹流道。根据这种结果可以知道，反向捏合盘元件的平均剪切速率最高，正向螺纹元件的平均剪切速率较低，正向捏合盘元件的平均剪切速率介于二者之间。反向捏合盘元件的剪切速率要高于正向捏合盘元件的剪