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PVC 木塑单螺杆挤出机熔融段的熔融过程*
点击:84 日期:2017-3-23 16:41:24

        摘要: 建立PVC 木塑单螺杆挤出机熔融段流道的三维模型,使用FLUENT 模拟PVC 木塑复合材料在熔融段流道
内的流动、传热和熔融过程,模拟分为考虑黏性耗散热和不考虑黏性耗散热2 种情况。通过分析模拟结果,得到物料的熔融过程以及流道内各流场的变化过程,对比模拟的2 种情况,得到流体黏性耗散热占流场总能量的百分比。
        木塑复合材料[1],是在塑料基体中添加20% ~ 85% 的木粉和各种加工助剂,利用高速混合机混合后,经造粒而成的。是近年在国内外蓬勃兴起的新型复合材料,它兼有木材和塑料的优良特性,还有塑料和木材不具有的优点。其可以减少废旧塑料对环境的危害,提高木材的综合利用率,并且其适用范围广,应用市场大,具有很好的经济效益和社会效益,所以近年来在国际上得到了广泛关注,木塑产品的研发和应用也得到迅速发展[2]。目前,木塑挤出成型设备是在塑料挤出设备的基础上基于经验改进而成。关于塑料挤出成型设备,国内外学者做了大量的研究。国内朱复华,袁明君等[3 - 4]对其熔融理论做了大量的研究,目前塑料挤出设备和理论已经很完备,而木塑材料的熔融理论还没有。由于其中含有木粉,所以木塑与塑料有很大不同,造成现有生产设备存在产量低、产品质量差等缺点。文章主要针对木塑材料,通过熔融段的数值模拟,了解木塑材料在单螺杆挤出机中的熔融过程和过程中流场的变化情况,对于指导生产和对木塑专用装备的开发具有重要参考价值,同时对促进我国木塑行业发展也具有重大意义。
1 熔融段流道的模型
        模拟选取的是一种渐变型螺杆。实际的熔融段长度大约是螺杆外径的5 倍,为了简化起见,这里只取了3 倍的螺距来进行模拟[5]。熔融段流道的三维图、截面图、网格文件图,如图1 所示,流道的参数见表1。图1( a) 中坐标系的原点为螺槽较深端面的中心,x 轴和y 轴相互垂直,且位置可以互换。


        考虑到PVC 木塑复合材料的特性和模拟软件FLUENT 自身的一些限制,做出了如下的一些简化和假设: 1) 物料在入口处处于压实的状态; 2) 物料固体和熔体的一些特性参数值相同,如密度,并且都为常数; 3) 熔体为不可压缩熔体; 4) 熔体流动为层流流动,壁面无滑移,忽略重力; 5) 熔融相变发生在一定的温度范围内。描述聚合物熔融的连续性方程、动量方程和能量方程,如公式( 1) ~ ( 3) 所示。
2 模拟参数设置


        模拟计算采用的物料是PVC 木塑复合材料,它的塑料机体是聚氯乙烯,由于木粉的加入导致木塑的参数相对于聚氯乙烯都有所改变,木塑的热传导系数较低,其参数如表2 所示。


        木塑复合材料熔体为非牛顿流体,且为幂律流体,所以黏度模型选用FLUENT 中的非牛顿幂律模型,黏度方程为:

                                      
        式中: k 为稠度指数的量度; n 是与满足幂律的牛顿流体背离程度的量度; T0为参考温度;  为剪切速率; η 为黏度值[6]。
        根据流变实验所得到的黏度数据,如表3,使用MATLAB 软件,拟合得到黏度方程式中的未知参数。
        边界参数如表4,使用压力基求解器,运用SIMPLEC 算法耦合求解压力和速度,动量和能量采用一阶迎风离散方法,残差曲线的精度设为0. 001,能量曲线设为1 × 10 - 6 ,使用瞬态方法进行模拟[6]。


3 模拟结果及分析
3. 1 熔融趋势分析
        1)取30 s 时,从入口到出口各个轴向截面上的液体分数分布云图进行对比,相邻两面距离为0. 01 m。
        从图2 的液体分数分布云图可以看出,入口螺槽内的液体分数基本为零,螺棱与机筒的间隙处不为零,说明物料在螺棱与机筒之间最先熔融。z = 0. 01 时,机筒内壁出现了熔膜,螺杆推进面附近的熔膜比拖曳面附近的厚。随着z 值的增大,熔膜厚度增加,由于螺杆与机筒的相对运动,熔膜被刮到螺杆推进面附近,不断积累,形成熔池。从z = 0. 02 和z = 0. 03 可以看出,随着熔池的积累和螺杆表面温度的升高,螺杆表面的物料也逐渐熔融,随着z 值的不断增大,螺杆表面熔融程度不断增大,然后接近螺杆推进面附近的螺槽中部物料也不断熔融,熔融从螺杆推进面到拖曳面和从机筒表面以及螺杆表面向中部不断蔓延,接着拖曳面附近的流道中部也逐渐熔融,逐渐形成环流。随z 值增大,各部分熔融程度不断增加,到z = 0. 17 时,物料达到了完全熔融,后面的一些面也都完全熔融。熔融的先后顺序为螺棱与机筒之间的部分,机筒内壁,螺杆推进面,螺杆表面,拖曳面和螺槽中部最后熔融[4,7]。由于木粉的加入,导致和塑料相比,物料的完全熔融程度降低,达到完全熔融所需的时间增加。
        2)取z = 0. 2 截面从1 ~ 24 s 的液体分数分布云图进行对比,时间间隔为1 s,这是在螺杆轴向一个固定位置处熔融情况随时间的变化情况,在24 s 时此面已达到完全熔融。


        观察图3 中z = 0. 2 截面不同时刻的液体分数分布云图,可以看出其熔融过程与t = 30 s 不同面上的相同。所以以上2 种方式都能反映出熔融段流道的熔融过程。
3. 2 流场分析
        取1 ~ 25 s 之间,间隔为2 s 的13 个时刻,以及z = 0 到z =0. 27 间隔为0. 03 的10 个面,通过fluent 后处理得到各个面在不同时刻各流场的面积加权平均值,将数据平滑连接得到曲线图4 ~ 6。
3. 2. 1 压力场分析
        从图4 可以看出,初始时刻,面积加权平均压力随z 值的增大而减小,当达到一定时刻以后,压力趋于稳定,稳定时压力先增大后减小,压力最大处出现在z = 0. 21 附近,入口的压力小于出口的压力。从图5 可以看出,除出口外,每个面上的面积加权平均压力都是随时间先减小后达到稳定,越接近出口,压力达到稳定所需的时间越短。从图6 可以看出,流道整体压力也是按先减小后逐渐稳定的趋势发展的。


3. 2. 2 速度场分析
        取y = 0. 045,y = 0. 043,y = 0. 041,螺杆表面,x = 0,z 从0 到0. 27 的4 条直线,得到轴向方向直线的速度变化如图7 所示。
        由图7 得出不同方向上的速度分量变化规律如下。
        1)x 向速度: 由于材料沿x 轴运动的方向与x 轴正向相反,所以速度都为负值。同一直线上x 向速度的大小在螺槽内随z值的增大而增大,螺杆推进面和拖曳面附近的速度从螺槽底部到螺棱表面逐渐增大,螺棱表面的速度最大,不同直线上的螺棱表面的速度大小相同。


        2) y 向速度: 模拟发现y 向速度值较小,说明螺槽内部的径向运动不是很强烈。在螺杆推进面和拖曳面附近的速度值较大,螺杆推进面附近的y 向速度为负值,说明熔体是从机筒内壁向螺杆表面运动,拖曳面附近为正值,说明熔体是从螺杆表面向机筒内壁运动;
        3) z 向速度: y 值越大,z 向速度值越小。螺杆表面z 方向的速度分量为0,其他直线上z 向速度在螺槽内随着z 值的增大而增大,螺杆推进面和拖曳面附近的速度从螺槽底部到螺棱表面逐渐增大,螺棱表面的速度最小,为零,说明螺棱与机筒内壁之间的物料没有z 方向的运动;
        4) 总体速度: 在螺槽内总体速度变化趋势是随z 值增大而增大的,螺杆推进面和拖曳面附近的速度从螺槽底部到螺棱表面逐渐增大,螺棱表面的速度最大,螺棱表面的速度大小相同。
        取z = 0. 06,z = 0. 09,z = 0. 15,z = 0. 18,z = 0. 24 这5 个截面上,x = 0,y 从0 到0. 0453 这5 条直线,得到径向方向直线的速度分布如图8,图9 为1 个螺距范围内径向直线的y 向速度变化的对比图。


        结合图8、9 可以得出径向方向直线的速度分量变化规律,由于螺槽深度不同,所以不同直线的起点不同,但终点相同:
        5) x 向速度: 径向方向直线的x 向速度变化趋势相同,都是随着y 值的增大而减小,但不是线性减小。y 值相同时,z 值越大,速度值越大;
        6) y 向速度: 图9( a) 中两条直线都处于螺杆推进面附近,表明螺杆推进面附近的直线,y 向速度都为负值,说明螺杆推进面附近的熔体都是从机筒内壁向螺杆表面运动,趋势为随y 值的增大速度值先增大后减小,螺槽中部的y 向速度值最大。螺杆推进面附近直线y 向速度值较大,比其他直线上的速度大一个数量级。图9( b) 为拖曳面附近的直线,y 向速度都为正值,说明拖曳面附近的熔体都是从螺杆表面向机筒内壁运动,趋势为随y 值的增大,y 向速度值先增大后减小,螺槽中部的y 向速度值最大。其他段的结果显示,螺槽中间直线上的y 方向速度的变化趋势没有一定的规律,但y 向速度值大多都为正值,速度值较小,说明螺槽中部材料径向方向的运动方向为从螺杆表面到机筒内壁,径向运动不明显。
        7) z 向速度: 由于螺槽深度是渐变的,所以y 的变化范围随z 值的增大而减小。z 向速度值随着y 值的增大先增大后减小,螺槽中部值最大。随z 值的增大,z 向速度的峰值也随之增大;
        8) 整体速度: 整体速度是3 个方向速度的矢量叠加,其变化趋势是随着y 值的增大而减小,但不是线性减小。
3. 2. 3 液体分数分析
        从图10 看出,当到达一定时刻,液体分数曲线逐渐重合,说明液体分数会逐渐达到稳定,稳定时液体分数先增大后趋于稳定,z 值较大的一些面达到了完全熔融。


        从图11 看出,同一面的液体分数随时间的变化趋势是先增大后达到平稳,z 值越大,达到稳定所需的时间越长,稳定时的液体分数越高。


        从图12 看出,流道整体的液体分数随时间先增大后趋于稳定,说明流道的液体分数达到一定时刻趋于稳定,逐渐达到稳态。


3. 2. 4 温度场和热焓分析
        由图13 得出,初始阶段,温度从入口到出口呈增大趋势,入口和出口幅度较大,中间部分增加幅度较小,一定时刻后,温度先增大后减小,温度最大处出现在z = 0. 24 平面上,后面的温度曲线逐渐重合,说明温度逐渐达到稳定。


        由图14 得出,入口处由于温度边界条件的设置,温度不变,其它面上的温度随时间先增大后趋于稳定。z 值越大,达到稳定所需的时间越长,稳定时的温度越高。


        由图15 得出,流道整体面积加权平均温度随时间先增大后趋于稳定,说明流道的温度一定时刻后会趋于稳定[8]。


        由图16 得出整体热焓的变化趋势同温度相同,也是先增大后达到稳定。


3. 2. 5 黏性耗散热分析
        图18 为考虑和不考虑黏性耗散热2 种情况下的热焓值对比,从差值来看,黏性耗散热随着时间的增加也在不断增加。但从图17 可以看出,黏性耗散热占考虑黏性耗散热情况下总的热焓值的比例随着时间的增加越来越小,变化幅度越来越小,由于总体热焓值会逐渐达到稳定,所以此百分比也会逐渐趋于稳定,所以可以得到,在此边界条件设置下,稳定时黏性耗散热百分比大概在10 %左右[5]。


4 结论
        1) 流道熔融的先后顺序为螺棱与机筒间隙处,机筒内壁,螺杆推进面,螺杆表面,拖曳面和螺槽中部最后熔融。
        2) 压力随着时间的变化逐渐趋于稳定,稳定时压力先增大后减小。
        3) 轴向方向上,在螺槽内整体速度随z 值增大而增大。径向方向,随着y 值的增大而减小。
        4) 液体分数随时间先增大后达到平稳,z 值越大,达到稳定所需的时间越长,稳定时的液体分数越高。
        5) 整体温度和热焓都是随时间先增大后逐渐达到平稳。在此边界条件设置下,稳定时黏性耗散热占流场总能量的百分比大概在10%左右。

 
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