雙螺桿擠出機流道流場和操作參數的數值模擬研究進展

栗 陽,王振文,吳 敏

(中國農業大學工學院,北京 100083)

在20世紀30年代,雙螺桿擠出機才真正用于聚合物的加工。雙螺桿擠出機是在單螺桿擠出機的基礎上發展起來的,具有優良的加料性能和擠出混合性能,因此,廣泛用于擠出制品的加工中[1]。單螺桿擠出機具有結構簡單、制造安裝方便、價格便宜的優點,但是與雙螺桿擠出機相比,其生產效率低、輸送能力差、自潔性差[2]。因此,雙螺桿擠出機得到了廣泛應用和發展。雙螺桿擠出機由傳動裝置、加料裝置、料筒和螺桿等幾個部分組成,其中主要機械部位是傳動裝置和螺桿,因此,傳動技術和擠出技術是雙螺桿擠出機的關鍵性技術[3],擠出技術中包含螺桿幾何結構的優化和操作參數的改進。

在雙螺桿擠出加工過程中,物料從進料口進入,在雙螺桿的推動作用下,物料沿著擠出方向前進。在雙螺桿和機筒組成的“∞”形流道中[4],物料經過加壓、剪切、混合,從流道出口的口模中瞬間擠出,物料從高溫高壓突然降低至常溫常壓而發生膨化。按照螺桿段的不同功能,沿擠出方向流道大致可分為固體輸送段、熔融段和熔體輸送段。由于物料處于固體時物料特性的復雜性和不確定性,對固體輸送段的研究相對較少[5]。

目前,對雙螺桿擠出機的研究,主要集中在螺紋幾何結構和操作參數對擠出過程和擠出品質的影響。國內外大部分學者通過實驗分析得到了一些關于幾何結構和操作參數方面的成果,大量圍繞谷物和植物蛋白的擠壓研究更多關注擠壓參數(機筒溫度、螺桿轉速等)與品質指標間的模型構建[6-11],對于擠壓過程主要通過參數優化來調控,屬于間接研究方式和手段,但是對于擠壓機流道內物料具體的流動過程和狀態不能確定。為了更好的控制擠出過程，預測擠出品質,明確擠出機流道內物料在不同條件下的流動狀態以便更加直接的反映物料的擠出過程和擠出品質,研究擠出機流道流場具有重要意義。

計算機流體力學的發展,為學者研究雙螺桿擠出機流道的擠出狀態提供了新的思路。借助于計算機流體力學軟件(polyflow、cfx和fluent等)對雙螺桿擠出機流道內物料的流動進行數值仿真,得到關于物料流道的速度場、壓力場和溫度場,進而分析影響擠出過程的因素。這種數值模擬方法相較于傳統的實驗方法有較大的優越性[12]。本文對雙螺桿擠出機流道流場和操作參數的數值仿真研究結果進行了概述和總結,為未來的相關研究提供了理論指導和借鑒。

1 雙螺桿擠出機流道仿真模型和軟件應用分析

雙螺桿擠出機內的擠出混合過程非常復雜,熔體在流道中受到高溫高壓和高剪切等多種復雜作用,再加上不同物料在擠出流動過程中復雜的流變特性,使得雙螺桿擠出機的流道數學模型難以建立,理論模型與實際的工作情況存在較大的差異[13]。由于擠出過程流道的復雜性,國內外大部分學者對流道的數學模型進行了假設和簡化,假設流體為不可壓縮流體、層流流動和冪律流體,物料與螺桿和機筒壁面無滑移且充滿整個流道,以便于數值仿真。但是在實際擠出過程中,機筒和螺桿存在壁面滑移的現象,Malik等[14]就壁面滑移邊界條件下,采用三維有限元法對集中懸架全嚙合旋轉雙螺桿擠壓進行了分析。結果表明在滑移邊界條件下的數值計算更加復雜,壓力對壁面滑移速度也存在一定的影響。由于雙螺桿擠出機擠出過程的復雜性,采用數值方法和簡化數學模型的形式進行仿真模擬分析具有重要的理論意義和實用價值,特別是在反映流場擠出狀態上具有重要參考價值,也是闡釋擠出機復雜擠出過程目前最有效的方法之一,當然在數學模型構建和仿真邊界條件選擇上還有很多提升的空間。

利用流體動力學和物料流變學等理論建立流體的數學模型。雙螺桿擠出機流道的數學模型方程包括流體力學三大方程中的連續性方程、Naiver-Stokes方程和能量方程(如果假設擠出機的流道是等溫流場,那么在仿真模型中不需要能量方程)基于流變學的化學流變本構方程[15]。數值模擬的過程就是對上述偏微分方程組迭代求解的過程。

邊界條件主要包含進出口邊界條件和壁面速度邊界條件。對于進出口邊界條件,由于是對擠壓機流場對應的一段進行數值仿真,國內外學者和研究人員大多采用放松邊界條件,在計算域的進出口給定流量邊界條件或者壓力邊界條件。對于壁面速度邊界條件,由于機筒一般靜止螺桿按照固定轉速轉動,所以,粘附于機筒壁面的流體速度為零,粘附于螺桿壁面的流體速度等于螺桿角速度與螺桿半徑的乘積。

1.1 基于polyflow軟件的雙螺桿擠壓模型適用性分析

常用的聚合物加工計算機輔助工程(CAE)軟件有polyflow、moldflow和ansys等。ansys軟件主要用于結構方面的分析,moldflow廣泛應用于注射成型的模擬中[16-17]。而計算機流體力學軟件polyflow是專用于分析粘彈性流體的軟件,包含多種流動模型可以用于研究聚合物擠出、混合和化學反應的問題。尤其在雙螺桿擠出問題的研究中,隨著螺桿的旋轉,流場形狀不斷發生改變,因此需要對幾何模型重新進行網格劃分。而polyflow軟件利用網格重疊技術[18],將螺桿區域和流體區域分別進行網格劃分,然后把兩區域的網格進行組合,在求解計算時可以判斷出哪部分網格屬于流體哪部分網格屬于螺桿,大大減少了研究人員的工作量。所以,polyflow是進行雙螺桿擠出機流道內聚合物擠出加工仿真模擬的最佳選擇。

Polyflow采用有限元法,主要包含polyflow、polydata、polystat三個模塊,由一個主控程序polyman來運行。軟件的使用一般是先運用前處理軟件gambit進行有限元網格劃分,將網格導入polydata中設置分析任務的物理模型、材料特性和邊界條件等進行收斂性求解,再運行fieldview,查看仿真結果[19]。

1.2 Polyflow軟件在擠出機數值仿真中的應用

Polyflow軟件應用于裝備設計、結構優化以及操作參數的改進時,能有效的縮短研發、設計、生產周期,提高產品質量,降低生產成本[18]。國內外學者運用polyflow軟件取得了一系列的研究成果。Lewandowski等[20]運用polyflow軟件對單螺桿擠出機內的熔體流動進行了數值模擬,得出了不同滑移參數對擠出機運行的影響。Yang等[21]對檸檬汁凝膠三維打印工藝進行了改進,利用polyflow軟件模擬得出不同的材料特性和工藝參數對裝料筒流道的影響。Yue等[22]研究了氣體注射壓力、擠壓速度和牽引速度對擠壓五腔導管的影響,通過polyflow軟件模擬仿真和正交試驗得出了擠壓五腔導管各參數的最佳組合。

土耳其安納托利亞地區，每年都要舉行一次斗駱駝比賽。斗駱駝時，兩頭駱駝各自彎下頭，用前額撐住對方，并設法用力把對方推倒在地上。當其中一頭取得勝利后，主人還得竭力把它們拉開。

表1 不同螺桿幾何結構的擠出混合性能Table 1 Extrusion mixing performance of different screw geometry

2 雙螺桿擠出機螺桿幾何結構數值仿真研究進展

2.1 螺桿幾何結構的構成

雙螺桿擠出機的螺紋元件主要包含兩大類,一類是普通螺紋元件,另一類是捏合盤元件,同時這兩類元件都有正向和反向之分。還有一類新型螺紋元件具有特殊的幾何構型,它們一般是用來提高雙螺桿擠出機的性能而設計。為了適應對不同物料和擠出產品的要求,雙螺桿擠出機的組合螺桿部分可以置換,各個擠出段可以有不同形式的螺桿組合以達到不同的擠出目的。普通螺紋元件和捏合盤元件也有不同的幾何結構,普通螺紋元件有不同的螺距,捏合盤元件有不同的盤厚度和錯列角等。雙螺桿擠出機不同的螺桿幾何結構可以對擠出過程產生顯著影響,可以依據雙螺桿幾何學對螺紋元件進行建模[23],借助計算機流體力學軟件對不同螺桿構型下的擠出過程進行數值仿真,用以探究螺桿幾何結構對擠出過程的影響。

2.2 螺桿幾何結構對擠出性能的影響

國內外學者對傳統的普通螺紋元件和捏合盤元件的擠出混合性能進行了大量的研究。主要的研究成果如表1所示。

2.2.1 普通螺紋元件對擠出機的擠出性能影響分析 普通螺紋元件作為雙螺桿擠出機螺桿構型中最基本的元件,它的導程、頭數和螺槽寬度等結構參數對擠出過程和擠出結果都有著重要的影響。通過表1中普通螺紋元件的研究結果可以明顯的發現,螺紋導程的大小對螺桿的輸送能力影響較大[26]。在一定范圍下,螺桿導程的增大可以提高螺桿的建壓能力和輸送能力,由于螺桿對物料的輸送機理一般認為是正位移輸送,螺桿輸送能力的提高可能會增大物料在流道內的機械能,機械能轉化為熱能的總量也會一定程度增大,這樣物料在流道內的粘性耗散率也會隨之增大[27]。根據擠出要求,選擇合適的螺紋元件導程從而確定出合適的輸送參數和建壓水平,可以提高物料的擠出質量。普通螺紋元件另外一個重要結構參數是螺紋頭數,而螺桿的頭數則決定了螺桿截面的幾何形狀,不同的螺桿截面形狀對流道內剪切速率有顯著影響[24]。雙頭螺桿對淀粉基物料的擠壓糊化能力比單頭螺桿要強,這是由于雙頭螺桿的剪切能力要優于單頭螺桿[7],更大的剪切能力可以實現螺桿對物料更充分的剪切混合作用。

普通螺紋元件的螺槽寬度也對擠出過程產生顯著影響。俞建峰等[7]就螺槽寬度對辣條擠出質量的影響進行了單因素實驗分析,結果發現:較大的螺槽寬度受到機頭反向壓力的影響更大,物料在流道內的回流量增大停留時間更長,物料得以充分剪切混合,得到的擠出產品質量更高。同時,Zong等[25]數值模擬了雙螺桿擠出機合成聚對苯二甲酸對苯二胺的過程,研究了普通螺紋元件、捏合塊、螺桿混合元件對擠出過程的影響。結果表明:引入更多的反向普通螺紋元件和捏合盤可以增加物料在流道內的停留時間,提高聚合物的擠出質量。郭樹國等[34]用數值仿真了豆粕在雙螺桿擠出機內的擠出過程,結果表明豆粕受反向螺紋元件的作用在流道內的停留時間大大增加,豆粕的混合更加充分。因此,無論是對于以聚合物還是食品熔體為原料的擠壓過程,只要通過合理改變螺桿構型的結構參數,增加了物料在流道的回流量和停留時間,都可以優化調控物料的擠出品質。

2.2.2 普通捏合塊對擠出機的擠出性能影響分析 雙螺桿擠出機中廣泛使用著另一種螺桿元件—捏合塊,捏合塊是由若干個捏合盤按照一定的錯列角組成的。根據捏合塊的螺旋角的方向不同,捏合塊可以分為正向捏合塊、反向捏合塊和中性捏合塊。通過數值仿真分析的結果可以發現,盤厚度和錯列角對捏合盤的性能有著非常大的影響[28-29],盤厚度和錯列角對剪切混合的影響詳見表1。反向捏合盤由于具有背壓能力,使物料的回流量大大增加,同時由于捏合盤特殊的幾何結構對物料的高剪切作用,因此反向捏合盤具有最強的分散混合能力[31]。45°正向捏合盤元件和反向捏合盤元件組合可以提高剪切能力[30],這主要由于在45°正向捏合盤元件末端建立起足夠的壓力,使物料通過反向捏合盤元件,物料可以在反向捏合盤內產生回流而使物料充分混合,另一方面,兩個捏合盤元件本身幾何結構的特殊性,使物料在兩個螺桿元件之間反復受到劇烈的剪切作用。捏合盤元件相比較于普通螺紋元件擁有更強的剪切能力,可以提供更加充分的混合[33]。因此在擠出加工中,根據對剪切混合的要求,選擇捏合盤元件來增大對物料的剪切混合作用,可以提高物料的擠出品質。

2.2.3 新型螺桿元件對擠出性能的影響 隨著雙螺桿擠出技術的成熟,各種新型的螺桿輸送系統應運而生。Xu等[35]就利用polyflow軟件提供的有限元法和網格疊加技術,對新型非雙螺桿構型的三維流場以及傳統的雙螺桿結構進行了數值模擬。使一個單頭螺桿元件與另一個雙頭螺桿元件以2倍的速度相互嚙合,這種新型輸送系統具有更好的分布和分散混合能力。與改變螺桿的嚙合結構相比,新型螺桿元件的設計應用可以直接改善雙螺桿擠出機的輸送系統,提高雙螺桿擠出機的擠出性能。國內外研究人員對各種新型螺桿元件進行了大量的研究,采用計算機流體力學軟件對新型螺桿元件進行數值模擬分析,可以直接反映它們在流道輸送系統中的剪切混合作用,縮短了新型螺桿元件的設計和研發周期,減小了設計研發成本。

3 雙螺桿擠出機操作參數的數值仿真研究進展

3.1 雙螺桿擠出機的操作參數分析

雙螺桿擠出機的生產效率、擠出品質和功耗是衡量擠出加工的重要指標[41],而這些指標受到操作參數的影響,操作參數的不同可以對雙螺桿擠出機的擠出過程產生較大影響[42]。操作參數主要包括螺桿轉速、機筒溫度和進料流量等,其中螺桿轉速對雙螺桿的擠出加工有顯著影響。借助于計算機流體力學軟件,對處在不同操作參數下的雙螺桿擠出機進行模擬仿真,來分析不同操作參數對擠出過程的影響。下文綜述分析了他們的數值模擬結果,可以為雙螺桿擠出機的實踐操作提供理論指導。

3.2 操作參數對擠出性能的影響

國內外學者對不同操作參數下螺桿擠出機的擠出混合性能進行了大量的研究,研究方法主要分為兩種,一種是響應面分析法,另外一種是計算機流體力學的數值仿真。主要的研究結論如表2所示。

3.2.1 螺桿轉速對擠出機的擠出性能影響分析 螺桿轉速是影響雙螺桿擠出機擠出過程的重要操作參數,確定合適的螺桿轉速對擠出品質有著至關重要的影響。從表2中發現,螺桿轉速對物料的剪切速率和停留時間都有密切的關系,增大螺桿轉速會提高剪切速率,提高對物料的混合剪切作用,但是螺桿轉速增大的同時物料在流道內的加工時間又會變短,物料又難以充分混合[43-45]。關于食用菌菌糠的研究發現,隨著螺桿轉速的增大,粗纖維的降解率先增大后降低[10],先增大是由于螺桿轉速的增大提供了高剪切速率,而后減小則主要是由于食用菌菌糠在流道內停留時間縮短的緣故。這與聚合物在數值仿真中的模擬結果是相似的,說明無論是聚合物還是食品熔體,螺桿轉速的變化對物料都有一致的影響。因此,在擠出加工中,為了獲得良好的擠出制品,應該權衡剪切速率和停留時間兩個因素來選擇合適的螺桿轉速。一般認為,螺桿轉速的增大可以減小物料在螺桿流道內的停留時間,但是在擠出機機頭過渡體處隨著螺桿轉速的增大物料的混合更加充分[47],這可能是由于過渡體機頭的幾何結構與螺桿結構不同所致。物料在螺桿作用下作螺旋運動,而在過渡體機頭處的物料的流動要比在螺桿內簡單的多,因此大的螺桿轉速可以使物料混合更加充分。

表2 不同操作參數對擠出性能的影響Table 2 Influence of different operation parameters

3.2.2 機筒溫度對擠出機的擠出性能影響分析 機筒溫度是另一個對擠出過程產生重要影響的因素。隨著機筒溫度的增大,物料在機筒內的分子擴散效率變高,同時物料的粘度降低,有利于物料在機筒內的反應擠出過程,提高物料的反應轉化率[50]。但是機筒溫度過高,物料會產生一定的物理化學變化使擠出質量下降。Li等[6]通過試驗發現隨著機筒溫度的升高,淀粉的凝膠化程度嚴重使擠出產品的可接受度降低。Wang等[8]發現,隨著機筒溫度的升高,糙米的蒸煮損失急劇下降,吸水性顯著降低。這可能是由于機筒溫度過高,擠出反應過于劇烈增強了變性淀粉網絡的穩定性,限制了水合反應的進行。Wu等[49]開展的亞麻膠擠壓降解研究中發現,較高的機筒溫度可以有效的降解亞麻膠,將高分子多糖降解為低分子量的多糖或單糖,顯著降低了粘度。因此在擠出加工中,應該根據不同的物料和擠出加工要求選擇相應的機筒溫度,通過數值仿真觀察物料在流道內的反應擠出狀態,可以預測不同機筒溫度對擠出產品質量的影響,為優化選擇機筒溫度的提供參考。

3.2.3 進料流量對擠出機的擠出性能影響分析 進料流量是控制擠出反應過程的關鍵因素,而進料流量的大小對剪切速率的影響不顯著。增大進料流量可以加快擠出加工的效率,生產更多的擠出制品,但是增大物料的進料流量使物料在流道內停留時間變短,物料因而無法充分混合[50]。Wu等[51]對亞麻籽擠壓脫毒工藝研究時發現,在達到解毒要求值的條件下,增大進料流量可以提高生產效率。因此,對于擠出混合要求高的加工過程,進料流量就不宜選取過大的值,為了保證擠出制品的混合質量并兼顧產能,應該進一步優化進料流量。

上述分別分析了螺桿轉速、機筒溫度和進料流量對于擠壓機擠出性能和產品品質改變的關系,但在實際擠壓加工聚合物和食品物料過程中,上述三個因素也會產生交互作用和共同影響,較多的響應面分析和多因素研究中發現,交互作用的影響存在并顯著[52-53],因此更好的圍繞多因素場的交互影響分析是目前擠壓機數值仿真和參數優化調控的關鍵。

4 展望

計算機流體動力學軟件polyflow是針對粘彈性流體開展雙螺桿擠出機流道流場模擬的最優適用軟件。運用polyflow軟件對雙螺桿擠出機在不同幾何結構和不同操作參數下的數值模擬,得到了關于螺桿幾何結構和操作參數對雙螺桿擠出機擠出混合狀態的影響,結果具有一定的可信度和參考價值。但是polyflow是基于網格的有限元算法,無法擺脫在復雜幾何區域生成高質量網格的難度和網格畸變帶來的負面影響。而光滑粒子流體動力學(SPH)是一種無網格的數值算法,SPH算法是一種純Lagrange的粒子法,擺脫了網格對數值模擬的局限性。由于雙螺桿擠出機螺桿幾何形狀的復雜性,因此基于SPH算法的數值模擬技術將是未來研究雙螺桿擠出機的一個發展方向。

通過計算機流體力學軟件polyflow可以得到物料在流道內擠出的速度場、壓力場、溫度場和剪切速率場等,借助于后處理軟件fieldview和polystat模塊可以得到物料在流道內的回流量、停留時間分布和加權平均剪切應力等參數?；亓髁亢屯Ａ魰r間分布決定了物料的分布混合,加權平均剪切應力則決定了物料的分散性混合。對于螺桿幾何構型的數值模擬,不論擠出物料是化學聚合物還是食品類熔體,螺桿構型對不同物料的剪切混合具有一定的相似性,因為不同物料在流道內受到的剪切混合作用與螺桿的幾何結構密切相關,反向螺紋元件和捏合盤均可以提高對物料的剪切混合。同時也會受到擠出物料的流動特性影響,流變特性表征又與原料組分微觀結構特性和擠出機結構參數密切相關。而對于操作參數的數值仿真,由于不同物料理化性質的千差萬別,所得結果的具體數值具有差異性,但是不同物料的擠出性能隨操作參數變化的趨勢是一致的,因此通過數值仿真的結果可以縮小操作參數的選擇范圍,預測擠出制品的品質。

關于數值仿真的試驗驗證,目前主要是把螺桿擠出機的實際擠出特性參數與相同條件下的數值仿真結果進行對比分析,來驗證數值仿真的準確性。例如為了驗證螺桿轉速對停留時間的影響而把實際擠出物的質量與數值仿真下計算出的擠出質量進行對比;為了驗證最佳的機筒溫度工藝參數而把實際擠出確定的最佳溫度與數值仿真下的溫度云圖進行對比分析。但是這種方法費時費力而且誤差比較大,對擠出過程的動態變化規律的仿真驗證難度較大。因此,建立微型雙螺桿擠出機的實物模型和試驗平臺,將實驗用雙螺桿擠出機的機筒用特殊材質做成透明,從透明視窗中采用攝像機高速獲取圖像的方式,可直觀、動態連續、實時地獲取物料的擠出反應信息,基于圖像處理技術可以真實準確的反映物料的擠出狀態。對擠出過程進行可視化的試驗驗證不失為一種理想的方法,這將為未來的擠壓機理研究提供更準確有效的思路。