基于CFX的内嵌双螺杆挤出机流场特性分析.pdf

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（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 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，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，并与同转速下传统双螺杆进行比较，因为王颢霖等13发现质量流速率是反映挤出效率的关键因素，因此通过对比物料挤出质量流速率来反映其产能。在试验时，规定试验时间为 5 min。为避免其他因素对试验结果产生影响，需要将挤出机的其他参数设为定值：加热腔加热至恒温 80，进料速度为 15 kg/h（防止速度过低导致物料在膨化腔的填充度下降），挤出机现场试验如图 7所示。1.主电机；2.加热圈；3.料仓；4.喂料电机图 7 挤出机现场试验3.2 设备及材料试验设备：山东赛百诺机械有限公司生产的SYSLG30-IV 试验型双螺杆挤出机。称量仪器：山东德州市高通实验仪器有限公司生产的 TD10K-1 型电子天平。试验材料：沈阳欧亚泰高饲料有限公司生产的非转基因低温豆粕。3.3 试验结果与分析试验1分析：豆粕组织蛋白挤出时间如表2所示。为了更直观看出挤出时间走势，将表 2 数据转换为曲线图，如图 8 所示。从图 8 可以看出，挤出时间与螺杆转速成反比，说明转速越低，物料的挤出时间越长，因此螺杆转速是挤出时间的一个重要因素。在同等转速下，新型双螺杆挤出机内外流道挤出时间均高于传统双螺杆挤出机外流道挤出时间，且内流道挤出时间更长。故试验 1 验证了新型双螺杆挤出机能有效改善混合性能。试验 2 分析：整体豆粕组织蛋白挤出质量流速率曲线如图 9 所示。从图 9 可以看出，挤出质量流速率与螺杆转速成正比，说明转速越大，物料的运输速度越快，因此螺杆转速也是质量流速率的一个重要因素。在相同转速下，新型双螺杆挤出机质量流速率总是大于传统双螺杆挤出机，经计算，质量流速率提高了约 55.5%，相较理论值偏小，这是因为内流道单螺杆不存在自洁性，实际挤出量偏低。故试验 2 验证了内流道的出现可以有效增加挤出产量。表2 双螺杆挤出机不同转速下的挤出时间螺杆转速/r.min-1传统双螺杆外流道/s新型双螺杆外流道/s新型双螺杆内流道/s12036.138.256.314030.432.651.616025.328.347.518021.123.141.220014.916.836.522010.312.531.7图 8 挤出时间对比55金子云 等：基于CFX的内嵌双螺杆挤出机流场特性分析第4期图 9 挤出质量流速率对比4 讨论创新螺杆结构是改变物料加工的第一步，也是提高产量的基础。本文通过在传统双螺杆内嵌入 2根螺杆来产生内流道，在提高豆粕组织蛋白产量的同时又适当增加了混合性能。王天书等14通过 polyflow 来模拟聚合物熔融混合，通过压力云图与流道监测线速度发现延长停留时间有利于物料的充分混合；刘杨等15对流场出口粒子切片来计算粒子挤出时间，阐述了物料挤出时间越长则分布混合越佳，两者与本文研究结果一致。贺存政等12通过自制实验设备来记录粒子的混合时间与均匀度的变化曲线，但因设备较为简便，数据受温度不够而致塑料颗粒状态固定以及添料和取料的间隔时间过短等影响仍存在计算误差。本文的试验采用螺杆喂料，机筒通过电机持续加热而减少温度波动，物料在高温下水分蒸发从而变黏，极大保证了物料的试验状态，对比贺存政等12数据误差要更小。李成宇等16通过优化结构参数来提高物料的平均流速，从而提高挤出效率，此方法存在一定局限性。本文通过改变螺杆结构形态来增加新流道，提高了螺杆的吃料上限，对比李成宇等16的设计方法更好。田东等17通过设计渐加速单螺杆，挤出效率提高了约 24%。本文试验的挤出效率提高了约 55.5%，高于田东等17的结论。本文设计的内嵌双螺杆，通过可视化模拟得到了物料的内外流场，在不改变挤出机体积以及保证质量的情况下，极大提高了挤出机产量，但对于内嵌螺杆是否能应用于多种螺杆挤出机还需进一步探讨。5 结语利用 Pro/E 建模，运用 CFX 方法对具有内外流道的内嵌双螺杆挤出机进行三维流场分析以及试验验证，准确模拟了豆粕在新型双螺杆挤出机中的运动状态。通过对比传统双螺杆挤出机发现，新型双螺杆挤出机通过在内部分别嵌入 2 根螺杆，增加了双螺杆挤出机的吃料上限，在不改变其体积的情况下，豆粕产量变为原来的 1.41.7 倍；其外螺杆在内流道摩擦力的作用下产生速度波动，削弱了豆粕的轴向运输，且内螺杆在尺寸的局限下豆粕运输更慢，故两者均延长了豆粕的挤出时间，进而保证了挤出质量。参考文献1 钟东，赵春磊，干蜀毅.一种同向啮合食品双螺杆挤出机设计 J.真空，2019，56（4）：59-612 李莹，韩云胜，赵青余，等.豆粕与发酵豆粕中主要营养成分、抗营养因子及体外消化率的比较分析J中国饲料，2019，643（23）：76-813 汤霖森，郭树国，王丽艳，等.基于 CFX 的同轴变速双螺杆挤出机三维流场分析 J.食品与机械，2021，37（11）：77-80，1924 徐文海，陈安柱，苏宏林.开槽三头啮合块双螺杆挤出机数值模拟 J.饲料工业，2017，38（15）：9-12.5 滕健，朱向哲，李万旭，等.基于混沌理论偏心双螺杆挤出机端面混合机理 J.塑料，2021，50（1）：1-5，116 王贺祥，彭炯，葛震，等.双螺杆挤出过程数值模拟研究进展 J.中国塑料，2020，34（9）：96-102.7 陈晋南，胡冬冬，彭炯.计算流体动力学（CFD）及其软件包在双螺杆挤出中的应用 J.中国塑料，2001（12）：14-18.8 韩彦林.阴阳转子型双螺杆挤出机挤出成型机理及设备研究 D.沈阳：沈阳化工大学，202256现代农业装备2023年9 李成伟.基于极限学习机多种响应面法的结构模糊可靠性分析 D.哈尔滨：哈尔滨理工大学，2019.10 郭树国，徐文海，王丽艳，等.基于 ANSYS 的豆粕组合螺杆挤出机三维流场模拟分析J.食品工业，2014，35（11）：225-22711 王少峰，张媛，刘美莲，等.不同温度状态下啮合异向双螺杆挤出机的流道分布规律J.食品与机械，2018，34（10）：71-7412 贺存政，樊瑜瑾，赵玉程，等.三螺杆分散混合数值模拟及实验分析 J.工程塑料应用，2022，50（5）：82-8813 王颢霖，朱向哲.双锥型螺杆挤出机固体输送离散元分析 J.中国塑料，2022，36（4）：83-8814 王天书，赵金玉，朱向哲.三螺杆挤出机螺杆组合流体流场及流固耦合特性分析 J.辽宁石油化工大学学报，2016，36（5）：51-5715 刘杨，朱向哲.新型偏心三螺杆挤出机流体混合特性分析 J.中国塑料，2022，36（7）：150-15616 李成宇，吕晓龙，吕柏源.制备再生橡胶的单螺杆挤出机喂料段流场分析及结构参数优化 J.橡胶工业，2023，70（1）：56-6117 田东，郭树国，王丽艳.带捏合块的渐加速型单螺杆三维流场分析 J.食品与机械，2023，39（1）：81-84，90Flow Field Characterization of Embedded Twin Screw Extruder based on CFXJinZiyun,GuoShuguo,ZuoXiaotian(SchoolofMechanicalandPowerEngineering,ShenyangUniversityofChemicalTechnology,Shenyang110142,China)Abstract:On the basis of the traditional twin screw extruder,a twin screw extruder with internal and external flow channels is designed.Based on the finite element method,this paper uses Pro/E 3D drawing software modeling and ANSYS/CFX fluid module to numerically simulate the new twin screw extruder,and compare it with the traditional twin screw extruder by analyzing the macroscopic pressure,macroscopic velocity and extrusion volume.The analysis results show that the flow rate of the internal flow channel of the new twin screw extruder the flow rate of the external flow channel of the new twin screw extruder the flow rate of the external flow channel of the traditional twin screw extruder,thereby prolonging the residence time of the material and improving the mixing performance.Due to the appearance of the internal flow channel,the extrusion efficiency is increased by about 55.5%.The results show that the output of soybean meal extrusion of the new twin screw extruder is 1.41.7 times that of the traditional twin screw extruder while ensuring the quality of soybean meal extrusion.The results of this study provide a new idea for the design of twin screw extruder.Key words:twin screw extruder;soybean meal;embedded screw;CFX;flow field analysis