基于CFX的内嵌双螺杆挤出机流场特性分析.pdf
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1、50现代农业装备2023年基于CFX的内嵌双螺杆挤出机流场特性分析金子云,郭树国,左晓甜(沈阳化工大学机械与动力工程学院,辽宁 沈阳 110142)摘 要:在传统双螺杆挤出机的基础上,设计了一种具有内外流道的双螺杆挤出机。文章基于有限元法,利用Pro/E三维绘图软件建模、ANSYS/CFX流体模块,对新型双螺杆挤出机进行数值模拟,通过分析宏观压力、宏观速度以及挤出量来与传统双螺杆挤出机进行对比。分析结果显示,新型双螺杆挤出机内流道流速小于新型双螺杆挤出机外流道流速小于传统双螺杆挤出机外流道流速,从而延长了物料的停留时间,提高了混合性能;由于内流道的出现,使挤出效率提高了约55.5%。研究结果表
2、明,新型双螺杆挤出机在保证豆粕挤出质量的同时,其豆粕挤出产量是传统双螺杆挤出机的1.41.7倍。本研究结果为双螺杆挤出机的设计提供了新思路。关键词:双螺杆挤出机;豆粕;内嵌螺杆;CFX;流场分析中图分类号:TS210 文献标识码:A 文章编号:1673-2154(2023)04-0050-07现代农业装备第44卷第4期2023年8月Vol.44No.4Aug.2023Modern Agricultural Equipment收稿日期:2023-04-21基金项目:辽宁省自然科学基金项目(No.2022-MS-288,No.2021-MS-253,No.2019-ZD-0085)作者简介:金子云
3、(1999),男,硕士研究生,从事农产品加工技术与设备研究。E-mail:通讯作者:郭树国(1978),男,博士,副教授,从事农产品加工技术与设备研究。E-mail:0 引言螺杆挤出机在食品加工产业上的应用较为广泛。通过挤出机改性食品营养结构,研究玉米、小麦、豆粕等农产品在挤出过程中的变化,减少抗营养因子从而促进动物营养吸收等多方面的问题是目前国内饲料行业的热点之一。双螺杆挤出机以良好的自洁性、混合性和正向输送特性,加上物料在机筒内适应性好、停留分布较均,被广泛应用于饲料加工领域1-2。一直以来,众多学者主要针对如何提高挤出机混合性能进行相关研究,对于增加挤出产量以及减少耗能的研究较少。如:汤
4、霖森等3设计了同轴变速双螺杆,通过行星轮引起的中段螺纹减速并反转来产生回流,从而延长物料的挤出时间。徐文海等4通过在双螺杆挤出机上加入混炼元件从而破坏建压能力,使建压分散,从而降低物料的输送效率,提高对物料的分散混合。滕健等5设计了一种偏心双螺杆,通过粒子可视化发现随着偏心距增大,物料的混合效率更好。针对前人研究不足之处,本文设计了一种新型双螺杆挤出机,拟以内嵌双螺杆挤出机为试验对象,引入黏性流体力学理论,利用ANSYS/CFX 有限元仿真模块来可视化物料在流道内的运动情况并与传统双螺杆进行对比6-7,通过规定时间下的挤出质量流速率和规定产量下的挤出时间来证实模拟结果的精确性,旨在丰富双螺杆挤
5、出机的设计方法。伴随着国内食品行业的庞大需求,探究如何在保证质量的同时提高产量,对双螺杆挤出机的结构创新研究具有重要意义。1 模型与参数1.1 Pro/E三维模型及流场CFX模型图 1 为内嵌双螺杆挤出机的 Pro/E 模型,螺杆全长 150 mm。内螺杆外径 40 mm,根径 24 mm,导程为 20 mm,外螺杆外径 60 mm,根径 44 mm,导程为20 mm,双螺杆中心距 58 mm,内外螺纹旋向为右旋,两边保持一致,同向啮合。通过 workbench Geometry 对 机 筒 进 行 填 充,并将填充体进行布尔操作,得到新型双螺杆外流道与内流道的流场模型,这里对流场进行四面体网
6、格划分如图 2 所示。网格节点数为 108 622,单元数为 444 637。51金子云 等:基于CFX的内嵌双螺杆挤出机流场特性分析第4期1.外螺杆;2.内螺杆(a)双螺杆几何模型1.料仓;2.外流道;3.外螺杆连接轴;4.三爪卡盘;5.电机传动轴;6.内螺杆连接轴;7.内流道(b)挤出机剖视图图 1 内嵌双螺杆挤出机 Pro/E 模型图 2 划分后的网格流场模型1.2 基础状态假设选择豆粕作为试验分析的物料,当豆粕被挤出时,会随着内热与机筒的加热致水分蒸发而变黏,因此可被当作幂律流体中的膨胀体来进行试验;而试验分析的内外流道与啮合区亦可视作恒温的稳态流场8。豆粕试验参数如表 1 所示。表1
7、 豆粕试验参数参数名称数值密度/kg.m-3700热量/Kcal.100g-1325黏度/Pa.s1930蛋白质含量/%65含水量/%0.4残油量/%0.61.3 数学分析模型根据挤出机的实际工况,这里对新型双螺杆挤出机的边界条件进行如下定义:1)内外螺杆连接轴通过三爪卡盘连接,转速保持一致,转速 n=120 r/min。2)为保证雷诺数不超过求解器湍流模型预期,防止进口流量过大(小于等于螺杆导程速度),使计算收敛更稳健,经模拟验证,设定物料的进口速度为 0.02 m/s,出口压力为 1 Mpa9。3)假设外螺杆表面两两之间均无滑移,内外螺杆间也无滑移,机筒内壁相对于外螺杆也不产生滑移,且机筒
8、无转速10。对于流道内不可压缩且恒温、稳态的膨胀体,假设不考虑其体积力,则连续性方程可简化为11:(1)运动方程为:(2)(3)(4)幂律流体本构方程为:(5)式中:速度矢量,m/s;xx 轴上的速度分量,m/s;yy 轴上的速度分量,m/s;zz 轴上的速度分量,m/s;n 幂律指数;ij 剪切应力矢量,(i、j 为直角坐标系上的x、y、z);剪切速率,s-1;物料黏度,Pas;p 静压力,Pa;联立式(1)(5)方程后可以求出内外流场的压力分布和速度分布。52现代农业装备2023年2 模拟结果计算与分析2.1 宏观压力场流场压力梯度可以表征螺杆的压力布置与建压好坏11,如图 3 所示。传统
9、双螺杆和新型双螺杆的流场压力均逐渐递增,且双方建压分明。其中传统双螺杆挤出机外流道压力梯度的递进速率明显大于新型双螺杆挤出机外流道递进速率,且流道表面皆存在不对称分布的差速线条。前者是因为新型双螺杆挤出机由于内流道的存在,外螺杆在受到内摩擦而引起转速不稳定导致外流道建压分散,使物料的输送变慢;后者是因为双螺杆的同向啮合使得物料流速叠加,其在外流道的进度始终保持:右螺杆大于左螺杆,引起差速流从而使啮合区产生不对称混合。因此,在保证初始条件一致的情况下,新型双螺杆挤出机外流道建压能力较弱,延长了物料不对称混合时间,使外流道混合效果更佳,但进口到出口的整体压差为 9.551 Mpa,高于传统双螺杆挤
10、出机的整体压差 3.716 Mpa,故内流道的出现导致额外产生了新的建压,扩大了建压范围,提高了运输量。(a)传统双螺杆 (b)新型双螺杆图 3 流场压力梯度2.2 宏观速度场从图 4 可以看出,传统双螺杆挤出机与新型双螺杆挤出机外流道速度布置均匀,流场均无明显变化。其中新型双螺杆挤出机外流道整体速度小于传统双螺杆挤出机,这是因为内嵌双螺杆新增 2 条额外流道,并且内外螺杆转动方向一致,由于内螺杆螺棱速度小于外螺杆螺棱速度,导致内流道沿径向的拖曳流相对外螺杆呈相反趋势,从而阻碍了外螺杆转动,引起转速不稳定而致正向梯度流流速降低。倘若流道中仅存在外流道,不存在内流道,则外流道正向流就不会发生变化
11、,物料也就无法被长时间的剪切与挤压。(a)传统双螺杆(b)新型双螺杆图 4 流场速度矢量53金子云 等:基于CFX的内嵌双螺杆挤出机流场特性分析第4期2.2.1 轴向速度模拟从图 5 可以看出,在速度曲线上:传统双螺杆外流道大于新型双螺杆外流道大于新型双螺杆内流道。说明物料在传统双螺杆挤出机中流速较快,因物料无法在轴向进行充分的分布性混合,导致混合均匀度不佳;而在新型双螺杆挤出机中内外流道速度相对较低,其内流道流速因径向尺寸限制而致线速度更低,图 5 轴向速度数据故物料在新型挤出机中停留时间更长,混合效果更好。其中新型双螺杆挤出机外流道在 0.050.11 m 时产生一定程度的速度波动,进一步
12、验证了外螺杆与内流道之间产生内摩擦的定性结论。2.2.2 速度迹线对比在图 6(a)的速度迹线中,传统双螺杆的流场线条连续有序,从进口到出口处未产生大的波动,较为均匀,这样导致物料的混合较为一般,分布系数与分散系数都相对较小,挤出豆粕组织蛋白离散度低,口感质地差;其流场流线分布因存在局限性,导致豆粕挤出量也不够理想。在图 6(b)的速度迹线中,由于内流道流线的影响,新型双螺杆外流道流场流线速度降低,流线能在啮合区进行充分的交织,延长整个流线的运输时间从而使豆粕在啮合区进行充分的分散混合,达到提高挤出质量的目的;其次内流道又相当于 2 个独立的单螺杆挤出机,在不改变螺杆体积的情况下,极大地提高了
13、豆粕挤出量。(a)传统双螺杆 (b)新型双螺杆图 6 流场速度流线3 挤出机试验验证3.1 试验方法为了验证模拟结果的可靠性,本次进行 2 次试验。试验采取一机双用,通过将外螺杆连接轴做成套筒式从而在内部新增连接轴并嵌入内螺杆,两轴通过三爪卡盘连接,为了方便内外螺杆同时吃料,主电机放置在出料口方向进行驱动。试验 1:通过秒表来记录试验挤出机螺杆在转速为 120、140、160、180、200、220 r.min-1的情况下,物料从外流道进料口到出料口的挤出时间以及物料从内流道进料口到出料口的挤出时间,并与同转速下传统双螺杆进行比较,因为贺存政等12发现挤出时间与离散度成反比,而离散度越低混合均
14、匀度也就越高,因此通过对比物料挤出时间来反映其挤出质量。挤出机理论容量:(6)式中:Q 流道容量,kg;54现代农业装备2023年D1 螺杆外径,m;D2 螺杆内径,m;L 计量段长度,m;n 螺杆转速,r/min;物料密度,kg/m3;输送效率。在试验时,由于流经内外流道物料占比不一致,为避免内流道因产量设计不合理而导致的试验误差,故根据式(6)来合理规定内外流道试验产量,外流道产量规定为 200 g,内流道产量规定为 120 g。试验 2:通过秒表来记录试验挤出机螺杆在转速为 120、140、160、180、200、220 r.min-1的情况下,物料从进料口到出料口产量,并与同转速下传统
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