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密炼机啮合转子的三维流场模拟

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密炼机的三维流场模拟

密炼机的三维流场模拟

Ｐ Ｓ ａ・ ， 为 一Ｏ ３５ 胶 料 密度 为 １０ ６Ｍｇ・ ’ ．８ ， ． ６ ｍ＿ ， 这 些参 数 是在 １ ０℃条 件下 测 量混 炼胶 得 到 的 。 １ 由于 幂 律指 数 为 一０ ３ ５ 因此 胶 料 假 定 为塑 性 ．８ ，
流体 。 １ ３ 有 限 元 模 型 ．
点进行描 述 和定 量 分析 ， 对 转 子 的流 场 进 行模 需 拟， 并将 得到 的速度 、 压力 和粘度 场 的模拟结 果 进
圉 阉 噙 赡 嗣
【Ｊ ｄ 【Ｊ ｅ 【） ｆ
图 １ 不 同初 始 相 位 角 的 转 子 示 意
相 位角 ：一 ６ 。ｂ １Ｏ ；一１ Ｏ； ａ Ｏ．一 ２ 。Ｐ ８ 。
卸 料 门
图 ２ 胶 料流 场 示 意
第 １ 期 ２
边 慧 光 等 ． 炼 机 的 三维 流 场 模 拟 密
７１ ５
—
—
无 穷剪切 粘度 ； 幂 律指 数 。
—
—
本工作 中 ｙ ｏ为 １ Ｐ Ｏ ａ・Ｓ 为 １ ， 为 １ ， Ｏ Ｏ
（） 烁 室 ａ密 （） ｂＩ 转 ｆ 司步 （） 步 转 ｆ ｃ异
密炼机 内 的流场 由密炼 室 内壁和 转子外 表 面
之 间的 空 隙组 成 ， 图 ２所 示 。 同步转 子 和 异 步 如 转子 以一定 的速 度 在 密炼 室 内相 对 回转 ， 料 被 胶 压 砣压 入密 炼 室 ， 最后 被 转 子 推 出 密炼 室 。混 炼
过程中， 胶料 在密 炼 室 内壁 和转 子 表 面形 成 的狭
用有 限元方 法对 密炼机 混炼 区 内的胶料 流场 进行分 析 ， 建立 相应 的物理模 型 、 需 数学模 型 和有

基于NX软件的密炼机转子三维建模及受力分析

基于NX软件的密炼机转子三维建模及受力分析

作者简介：王志飞（1980-），男，工学学士，毕业于河南农业大学，工程师，主要从事炼胶设备密炼机等的设计。

收稿日期：2020-02-14密炼机自1916被Banbury 发明以来，因其高效炼胶性能，其已经成为橡胶加工企业的首选炼胶设备。

炼胶转子作为密炼机最核心部件，其表面凸棱数量多少、凸棱的螺旋升角大小及组成凸棱外形的曲面等参数信息，都会对密炼机的炼胶性能产生直接影响。

为优化转子性能，提高炼胶品质及效率，针对密炼机转子结构，国内外越来越多的科研院所与企业对此进行了广泛、深入研究。

NX 是Siemens PLM Software 公司开发的一个产品工程解决方案，是一个交互式 CAD/CAM (计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统，它功能强大，能满足用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构，为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段，当下其已成为模具等行业三维设计的一个主流应用。

目前有关转子三维建模及分析方法的文章有很多，但基本上仅是对转子凸棱部位进行的简单建模，而转子凸棱端部位的收尾处基本处于开放状态，并没有对收尾进行圆弧及倾角处理，这样的三维模型与转子实际形状的偏差较大，易给转子受力分析及模拟胶料的流场分析带来一定的误差。

本文通过对转子曲面的倾角及圆弧进行NX 建模，以及转子体内部水道建模，并进行强度计算及分析，论述转子体各部位三维建模的有效性和必要性。

1　NX 软件在密炼机转子设计中必要NX 系统内的三维主模型是基于产品数据管理系统（PDM ）为核心的一个中央数据库文件，包含了产品相关的所有几何和非几何信息，在产品的生命周期内可为各阶段开发及相关各部门提供服务，其主模型是设计人员、工艺人员、仿真分析人员、编程人员后续操作所用模型的 “引用”，保证上下游模型的一致性。

随着三维软件与大量数控加工设备的配合应用，精确的三维主模型显得非常重要。

由多组曲面组成的密炼机转子体，通过NX 建模设计，优化后更高设计精度极大影响着转子受力程度和数控加工质量。

棱顶间隙对4WS密炼机流体混合特性影响

棱顶间隙对4WS密炼机流体混合特性影响

棱顶间隙对4WS密炼机流体混合特性影响孟宇;朱向哲;刘俭【摘要】四翼转子(4WS)密炼机是新型转子密炼机,具有较小的螺旋角和较大扫掠范围的长棱,吃料迅速,短时间内达到较好的混合效果等优点.利用Polyflow有限元软件,对不同结构4WS密炼机进行三维瞬态流场分析.分析转子与转子及转子与外壁间隙的变化对流场混合效果的影响,重点分析特殊几何截面的剪切速率,不同位置点的李雅普诺夫指数、瞬时混合效率、平均混合效率、分离尺度、对数拉伸.分析结果表明,在一定范围内,随着转子间隙的减小,4WS密炼机混合性能逐渐提高.【期刊名称】《石油化工高等学校学报》【年(卷),期】2018(031)005【总页数】7页(P77-83)【关键词】密炼机;有限元模拟;螺杆间隙;李雅普诺夫指数【作者】孟宇;朱向哲;刘俭【作者单位】辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001;辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001【正文语种】中文【中图分类】TQ320.5密炼机是聚合物混炼加工基本设备之一，广泛应用于橡胶加工业。

转子是密炼机的关键工作部件，对密炼机混合性能有决定性影响。

四翼转子（4WS）是一种新型的密炼机转子，在F型四翼转子（F4W）的基础上，通过设计背翼侧增加一定程度的内凹结构，从理论上增加剪切应力，并通过更大的背压，产生背压旋涡，增大物料在混合腔内的混合。

由于4WS几何结构的复杂性，导致其混合和流动更加复杂。

特别是转子啮合区面积随转子的转动呈现“大-小-大”周期性规律变化，是影响流体流动和混合特性的主要因素，而结构间隙是影响啮合区面积的主要因素，因此有必要对密炼机间隙对混合影响进行研究。

目前，对聚合物流体流动和混合机理分析主要是基于可视化实验法和数值模拟法。

R.Connelly等[1-2]利用粒子示踪技术对单转子和双转子密炼机内的混合情况进行了二维数值模拟。

啮合型调距转子密炼机混炼性能的研究

啮合型调距转子密炼机混炼性能的研究
棱 间 （ 转 子 凹 处 ） 由 于 转 子 凸 棱 外 直 径 和 即 。
填 充 系数 、 上顶 栓压 力 ５个 因子 对硫 化 胶力 学
性 能的影 响 ， 然后 对结果进 行分析 和 比较 ， 确定 出最 优化 的混炼工 艺参数 。
１ 实 验
１ １ 啮合型 调 距密 炼 机 实验 机 台主 要技 术 参 ．
数
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
凸棱根部 （ 转子 圆柱形 本体 ） 直径 不 同 ， 因而在 旋 转 时形 成不 同的 圆周速 度 ， 产生 速 比和 速度
梯度 ， 而 形 成 高剪 切 分 散 混 炼 （ 炼 胶 功 能 从 其
类似胶料 通过 开炼 机辊 距 ） 。在 上 顶栓 压力 的
作者 简 介 ： 国栋 （ ９９ ） 男 ， 东 诸 城 人 ， 金 森 工 业 橡 胶 陈 １７ 一 ， 山 哈 制 品 （ 州 ） 限 公 司工 业 化 工程 师 ， 学 硕 士 ， 苏 有 工 主要 从 事橡 胶 材料 的研 发 和工 艺 管 理 工作 。
啮合型转 子 的本 体呈 圆筒状 ， 体 上 有 一 本
条 大 的 螺 旋 凸棱 （ 称 主 棱 ） 两 个 小 凸 棱 （ 也 和 也
称副 棱 ） 。两 个 转 子相 向转 动 ， 速 相 同。 工 转 作时 ， 在螺旋 凸棱与 密炼室 内壁之 问 ， 受到不 断 变化 的 、 反复进 行 的强烈剪切 和挤压作 用 ， 使胶 料产生 剪切 变 形 ， 行 强 烈 的捏 炼 （ 胶 功 能 进 炼 类似 于剪切型 转子 密炼 机 ） 同时 在两 根转 子 。 之 间 ， 个转 子 的 凸棱 依 次 啮人 另一 个转 子 的 一
１２ 主 要 原 材 料 及 生产 厂 家 ．

内啮合齿轮泵流场的数值模拟

内啮合齿轮泵流场的数值模拟

内啮合齿轮泵流场的数值模拟吕程辉;杜睿龙;谢安桓;周华【摘要】采用Fluent的动网格技术,对内啮合齿轮泵内部流场进行了二维非定常计算,得到了内啮合齿轮泵在不同工况下的流场特性.结果表明内啮合齿轮泵无困油现象,泵转速提高会使压力过渡区相邻两齿之间的压差增大.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2015(000)007【总页数】4页(P107-110)【关键词】内啮合齿轮泵;Fluent;动网格;流场【作者】吕程辉;杜睿龙;谢安桓;周华【作者单位】浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室,浙江杭州310027;浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室,浙江杭州310027;浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室,浙江杭州310027;浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室,浙江杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TH137;TH325引言齿轮泵按齿轮的啮合形式可分为外啮合式和内啮合式。

与外啮合齿轮泵相比，内啮合齿轮泵流量、压力脉动和噪声更小，并且由于齿轮转向相同，齿面相对滑动速度小、磨损小，因此使用寿命更长[1]。

齿轮泵的内部流动对其工作性能有较大影响，通过数值模拟能够为齿轮泵内部结构设计提供重要的参考依据[2]。

随着CFD技术的发展，国内外学者对齿轮泵内部流场进行了数值模拟。

Kris Riemslagh[3]等人采用拉格朗日-欧拉有限体积法计算了外啮合齿轮泵的内部流场，获取了流场压力分布。

Houzeaux[4]建立了外齿啮合齿轮泵的二维和三维流场模型，通过有限元方法模拟了泵的啮合过程，对径向泄漏进行了分析。

王安麟[5]等人运用CFD技术及全空化理论，可视化地对不同转速下外啮合齿轮泵进口腔流体空化的瞬时状态进行了数值模拟。

N.Erturk[6]等人采用高时间分辨率粒子图像测速技术和二维仿真手段，可视化地分析了高速旋转的外啮合齿轮泵内部流体和气泡的动态特性。

目前关于齿轮泵内部流场数值模拟的研究，大多集中在外啮合齿轮泵，关于内啮合齿轮泵内部流场的数值模拟这方面的研究较少。

同步转子密炼机混合效率的数值模拟研究

同步转子密炼机混合效率的数值模拟研究
本方 程 为 Ｊ ：
连 续方 程为 ：
ｖ． ＝ ０ １ ， （ ） １
∑（ ＿ ・ ” ） ）（ 一＿
式 中， （ ｂ ＲＩ ｒ 尺 Ｉ１ 浓 （） ｒ为 度 相 关 系 数 ， 示 在 任 意 时 刻 ｔ 离 为 ， 着 相 同 表 距 有
。
＿—— ——一 －
浓 度 随机 质 点 的 概率 ， 为在 任 意 时刻 ｔ 取 的 一 所
ｙ＝ 西 （ ５）
分 离 尺度 是 用 来衡 量 混合 效 果 的 主要 参 数 ， 是 混合 物 中相 同组 分 区域平 均尺 度 的度量 。其定 义式
为：
ａ ｂ ｎ ｕｙ转 子 ．— ｒｌ ｒ 子 － ａｂｒ ｂ ｏＩ 转 ｅ
图 ２ 两 种转 子 密 炼机 的有 限 元模 型
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｍｅｔ ｏ ｆ ｌ ｎ ｂ ｎ ｕ ｙ ｒ ｔ ｒ ｉｅ ｎ ｏ ｌｒｒ ｔ ｒｍｉ ｅ ｓ２ ｎ ｍｅ ｉ ａｌ ｉ ｌ ｔｄ ｂ ｓｎ ｈ Ｆ ｓ ｒ ｃ ： ｈ ｌ ｆ ｗ ｅ ｄ ｉ ａ ｂ ｒ ｏ ｏ ｘ ｒａ ｄ ｒ ｌ ｏ ｏ ｘ ｒ ｌ ｉ ｍ ｅ ｗａ Ｄ ｕ ｒｃ ｌ ｓｍｕ ａｅ ｙ ｕ ｉ ｇ ｔ ｅ Ｃ Ｄ ｙ ｐ ｃ ａ ｅ ｐ ｌ ｆ ｗ． ｓｎ ａ ｔｃｅ ｔａ ｋ ｎ ｅｈ ｄ， ｈ ｉ ｅ ｓ ｅ ｍｉ ｉ ｇ ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ，ｄ ｓｒ ｕ ｉ ｅ ｍ ｉ ｉ ｇ ｐ ｒｏ ａ ｃ ｌｎ ａ ｋ ｇ ｏ ｙ ｏ Ｂｙ ｕ ｉ ｇ ｐ ｒｉ ｌ ｒ ｃ ｉｇ ｍ ｔ ｏ ｔ ｅ ｄ ｓ ｒ ｉ ｘ ｎ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｉｔｉ ｔｖ ｘ ｎ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ， ｉ ｅ ｌ ｐ ｖ ｂ ｍ
ｗｅ ｅｍｏ ｅｅ ｇ ｓ ｎ ｒ ｌ ｒｒ ｔ ｒ ａ ａ ｎ ｂ ｂ ｒ ｏ ｏ ｓ ｔ ｅｍｅ ｔ ｎ ｔ ｅｒ ｌ ｒ ｏ ｏ ｘ ｒ ｘ ｅ ｉｎ ｅ ｈ ｒ ｔｅ ｓａ ｄ ｅｏ ｇ ｔ ｎ ｒ ｒ ｄ ｅ ｌ ｏ ｓｔ ｎｔ ｔ ａ ｕ ｙ ｒ ｔ ｒ ， ｌ ｉ ｏ ｌ ｔ ｒ ｏ ｏ ｅ ｏ ｈ ｈ ｏ ｎ ｈ ｈ ｅｒ ｍｉ ｅ ｐ ｒｅ ｃ ｄ ｓ ａ ｅｓｒ ｓ ｎ ｌ ｎ ａｉ ｅ ｏ ｍｏ ｅ ｆｅ ｕ ｎ ｌ ｈ ｎ ｔ ａ ｅ ｂ ｎ ｕ ｙｒ ｔ ｒ ｉ ｅ ｕ ｉ ｇ ｔ ｅ ｓ ｍｅｎ ｍｂ ｒ ｆ ｅ ｏｕ ｉｎ ． ｏ， ｈ ｔ ｔ ｈ ｒ ｔ ｎ ｈ ａ ａｅ ｉ ｈ ｒ ｑ ｅ ｔ ｔ ａ ｔ ｎ ｔ ａ ｂ ｒ ｏ ｏ ｘ ｒｄ ｒ ａ ｕ ｅ ｖ ｌ ｔ ｓＳ ｔ ｅ ｓ ｅ ｃ ａｅ ａ ｄ ｓ ｅ ｒｒ ｔ ｔ ｅ ｒ ｙ ｈ ｉ ｈ ｍ ｎ ｈ ｏ ｒ ｏ ｒ ｎ

密炼机啮合转子的三维流场模拟

采用 青 岛科 技大 学 设计 的啮 合 型转 子 和 Ａ ＮＡ ＤＩ 有 限元 分 析软件 ， 研究 啮合 型转子 的 啮合 机 理 。 ＡＤ ＮＡ作 为有 限 元 模 拟 软 件 ， 于 其 在 计 Ｉ 由
本研 究 采用 Ｐ ＯＥ软件 进 行三 维实 体 造 型 ， Ｒ 首先给 出 啮合 转 子 螺旋 棱 的螺 旋线 的数 学 方程 ， 作 出螺 旋线 ， 出转 子螺 旋棱 的轴截 面 图 ， 绘 绕螺旋 曲线扫 描得 到转子棱 体 ， 再进行 实体 拉伸 ， 完成 三 维 实体 造 型 。然 后 通 过 实 体 拉 伸 得 到 密 炼 室 内
进 行有 限元 分析 ， 先 要 建 立相 应 的 物 理模 首
作 者 简 介 ： 慧 光 （９ ２ ） 男 ， 东 菏 泽 人 ， 岛 科 技 大 学 边 １８一 ， 山 青
为 了既描述 在 高剪切 速率下 的假 塑性 流体 的 流变 性质 ， 又描 述 在低 剪 切 速 率下 牛 顿 流 体 的流
壁 。该 流场 由密炼 室 内壁 与转 子外表 面之 间 的空 隙组成 ， 图 ２所示 。 如
１ ２ 数 学模 型 ．
算理论 和求 解 问题 的广 泛性 方面处 于全 球领 先地 位 ， 其针 对结构 非线 性 、 尤 流体和 流 固耦 合等 复杂
工程 问题 ， 因此 被 业 内人 士认 为是 非 线性 有 限元
种基 本形 式 。由于剪 切型 密炼机 的 高剪切特 性使
其早 期在 橡胶加 工 行 业 中得 到 广 泛应 用 ， 因此 称 为产 量 型密炼 机 。啮合型 密炼机 的研究 和开 发起 步较 晚 ， 然而 由于 在 混炼 方 面 低剪 切 的优 良特性
为 更好 地描 述 啮合 转 子 的 流 畅模 拟 ， 转 子 在

基于Fluent的外啮合齿轮泵内部流场仿真分析

Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2020年第24期·55·文章编号：2095－6835（2020）24－0055－03基于Fluent 的外啮合齿轮泵内部流场仿真分析＊姚奇，沈仙法，季丰（三江学院机械与电气工程学院，江苏南京210012）摘要：为提高外啮合齿轮泵的使用寿命，减轻齿轮泵的困油和泄漏现象，利用Fluent 软件对外啮合齿轮泵的内部流场进行了仿真，研究了齿轮泵齿侧间隙为0.05mm 、0.1mm 和0.15mm 时对困油压力的影响，分析了转速为1000r/min 、2000r/min 和3000r/min 时齿轮泵内部速度流场分布。

结果表明，齿轮泵的侧向间隙越大，泄漏量越大，容积效率越低；齿轮泵转速越大，内泄漏越大，容积效率越低，流量脉动加大，液场流速增大。

研究成果为外啮合齿轮泵的设计改进提供了技术参考，具有一定的实践意义。

关键词：外啮合齿轮泵；流场；仿真分析；Fluent 中图分类号：TH137.51文献标志码：A DOI ：10.15913/ki.kjycx.2020.24.0181引言外啮合齿轮泵是液压系统的重要动力元件，它因具有结构简单、维修方便、自吸能力强、对油液污染不敏感等优点而广泛应用在冶金、采掘机械、航空航天和深海探测等诸多领域。

但是，同时，它也存在着泄漏、困油和径向不平衡力等缺点。

针对这些缺点，国内外学者对其展开了研究，并取得了一定成果。

李志华等运用数学模型的方法对齿轮泵进行优化设计[1]。

冀宏等使用Fluent 和Pro-E 软件对外啮合齿轮泵的径向力进行了数值计算，比较了卸荷槽改进前后的外啮合齿轮泵径向力后认为合理的卸荷槽设计可以使外啮合齿轮泵的径向力大大降低[2]。

周雄等通过大量的数值计算，求得间隙与泄漏之间的相对应关系，得出最佳的理论间隙[3]。

李金鑫等利用Matlab 软件研究了壳体参数对于泄漏的流量的影响[4]。

外啮合齿轮泵内部流场的仿真与分析

Ａｂ ｓ Ｗａ ￣ ：Ｔ ｏ ｃ ａ ｔ ｃ ｈ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｓ ｔ ａ ｎ ｔ ａ ｎ ｅ ｏ ｕ ｓ ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｌ ｆ ｕ ｉ ｄ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ｇ ｅ ａ ｒ ｐ ｕ ｍｐ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｈ ｉ ｇ ｈ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｒ ｏ ｔ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ，ａ ｃ ｅ ｒ ｔ ａ ｉ ｎ ｔ ｙ ｐ ｅ ｏ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ａ ｌ ｇ ｅ ａ ｒ ｐ ｕ ｍｐ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｗ ａ ｓ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｅ ｄ ．Ｕｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｖ ｉ ｎ ｇ ｇ ｒ ｉ ｄ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ Ｃ Ｆ Ｄ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ Ｆ Ｌ ＵＥＮ Ｔ，ｔ ｈ ｅ ｔ ｗ ｏ — ｄ ｉ ｍｅ ｎ — ｓ ｉ ｏ ｎ ｌ ａ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ｌｕ ｆ ｉ ｄ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｇ ｅ ａ ｒ ｐ ｕ ｍｐ ｗ ａ ｓ ｓ ｔ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ．Ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｅ ｎ ｔ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ａ ｎ ｄ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｎ ｏ ｒ ｍａ ｌ ｗｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｇ ｅ ａ ｒ ｐ ｕ ｍｐ ｗｅ ｒ ｅ ｇ ｏ ｔ ｔ ｅ ｎ ．Ｔ ｈ ｅ ｉ ｍｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｄ ｅ ｘ ｐ ｏ ｔ ｒ ｉ ｎ ｓ ｔ ａ ｎ ｔ ａ ｎ ｅ ｏ ｕ ｓ ｌ ｆ ｏ ｗ ｒ ａ ｔ ｅ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｇ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｗｅ ｒ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ｅ ｄ

基于Polyflow的密炼机六棱同步转子流场的三维动态模拟研究


体； ⑤胶 料 在流场 壁 面上无 滑移 ； ⑥胶 料在 流场 内
是完全 充满 的 ； ⑦ 流场 为等 温流场 ， 且胶 料物 性参
数不 随温度 变化 而变化 。
＊通信 联 系人
高转 子对 胶料 的剪 切和分 散效 果 。
１ 模 型 构 建 １ ． １ 物 理 模 型
密炼 机 内的流 场 由密 炼室 内壁 和转子 外表 面 之 间 的空 隙组 成 ， 六 棱 同步 转 子 以一定 的速 度 在
密炼 室 内相对 回转 ， 胶料 首先被 压砣 压入 密炼 室 ，
最后 被转 子 推 出密 炼 室 。混 炼 过程 中 ， 胶 料 在 密
图 １ 六棱 同步 转 子 的实 体 造 型
炼 室 内壁 和转 子表 面形 成 的狭 小 空 隙 内流 动 ， 由
于转 子 的几何形 状 非 常 复 杂 ， 因 此 由密 炼 室 内壁
１ ． ２ 数 学 模 型
考虑 到流场 几何 形状 、 物料性 质 、 流动状 态 和
点进行 描述 和定 量 分 析几 乎 是 无法 实 现 的 ， 因此
用 １ ． ７ Ｌ密炼 机实 际尺寸 完全 一样 ， 如图 １ 所示。
ห้องสมุดไป่ตู้
六棱 同步 转 子 由 ３条长 棱 和 ３条 短棱 组 成 ， 与 二 棱 和 四棱 转子 相 比 ， 棱数 多 ， 提 高 了转子 的吃 料能
力， 而且 胶料 在相 同时 间 内通 过 转 子棱 顶 与 密 炼 室 内壁 间隙 的次 数增 多 ， 胶 料 受 到 的 剪切 次 数 增 加， 相 当于增 大 了剪切应力 和 剪切速 率 ， 有利 于提
中 图 分 类号 ： ＴＱ３ ３ ０ ． ４ ４ ； ０２ ４ １ ． ８ ２ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ０ — ８ ９ ０ Ｘ（ ２ Ｏ １ ４ ） ０ ４ ０ ２ ３ ６ ０ ５
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况， 共有 ６ 个位置的分布图。规定左转子顺时针 运动 ， 右转子逆时针运动 。 图 ４ 中左图均为 每 个 角 度 ＸＯ Ｙ 平面的截面 右 图 均 为速度 场矢量 图。根据 图 ４ 分 析 啮合 图， 型转子流场在一个周期内的流动情况 。 从图 ４ 可以 看 出 ： 转子和密炼室壁面之间的 速度基本上是右转子构型带动 ， 情况比较规则 ， 没 有出现大规 模 的 剪 切 和 混 合 。 与 此 同 时 ， 胶料的 最大速度场均出 现 在 中 间 的 啮 合 区 域 ， 并且分布 范围最广 。 从矢量图中可 以 看 出 ： 初始位置时胶料的轴 向速度分量较大 ， 表明这个阶段利于分散混合 ； 经 ／ 过１ 法向速度增大 ， 也就是 ６ 转后轴向速度减小 ， ／ 再经过 １ 基本只有法向速 剪切作用增强 ； ６ 转后 ， 度， 即这一阶段的剪切效果最好 ， 整体的轴向速度 流动趋势不明显 ， 轴向交互能力比剪切 分布均一 ， 型转子弱 。 从速度场可以 看 出 ： 啮合型转子对胶料既有 捏炼作用 ， 又有剪切作用 ， 捏炼拉伸作用占主导地 位， 剪切作用不明显 ， 胶料混合主要由拉伸作用占 类似于开炼机的包裹捏炼作用 ， 流动趋势不 主导 ， 明显 ， 但具有一定的分散作用 ， 因此混炼胶质量较
１ ． ４ 边界条件 将所模拟的三维流场模型进行网格划分并建 立 有 限 元 模 型 后， 需 要 加 载 边 界 条 件 进 行 求 解。 本研究采用真实 速 度 边 界 条 件 ， 根据壁面无滑移 假设 ， 在转子的外表面加载速度边界条件 。 ２ 计算结果与讨论 在密炼机混炼过程中 ， 由于转子的作用 ， 胶料 会在周向和轴向 做 三 维 运 动 ， 为了更清晰地表示 胶料在混炼过程 中 的 速 度 场 ， 本次分析对三维实 体沿着 ＸＯ Ｙ 平 面 剖 开， ＸＯ Ｙ 平面上各时刻的胶 料速度等值分布云图和矢量图如图 ４ 所示 。 选取 转 子 每 转 动６ 截取一个平面观察胶料的运动情 ０ °
１ １ ２
橡 胶 工 业 ２ ０ １ ２ 年第 ５ ９卷
图 １ 不同初始相位角的转子示意
图 ３ 啮合转子流场网格模型 图 ２ 啮合转子流场几何构型
２ ２ （ １＋λ γ）＝η∞ ＋ （ γ） ０－ η（ η η∞ ） — — 无穷剪切粘度 ； 式中 η∞ — — — 初始粘度 ， 即零剪切速率时的粘度 ； ０— η （ ／ ｎ １） ２ － －１ ·ｍ 。 子转速取 ６ ０ｒ ｉ ｎ
， 边慧 光 （ 男， 山 东 菏 泽 人， 青岛科技大学 １ ９ ８ ２—） 作者简介 ： 硕士 ， 主要从事高 分 子 材 料 加 工 技 术 及 装 备 的 教 学 和 科 研 讲师 ， 工作 。
］ １ ２ － 。 数学模型和有限元模型 ［ 型、
为更好地描述 啮 合 转 子 的 流 畅 模 拟 ， 在转子 并对不 旋转的圆周方向 取 ６ 个 不 同 的 初 始 相 位 ， 同初始相位角的 转 子 进 行 建 模 并 模 拟 ， 将每一种 相位角得到的结果进行比较 。 不同初始相位角的 转子如图 １ 所示 。 １ ． １ 物理模型 本研究采用 Ｐ Ｒ Ｏ Ｅ 软件进行三维实体造 型 ， 首先给出啮合转 子 螺 旋 棱 的 螺 旋 线 的 数 学 方 程 ， 作出螺旋线 ， 绘出转子螺旋棱的轴截面图 ， 绕螺旋 曲线扫描得到转子棱体 ， 再进行实体拉伸 ， 完成三 维实体 造 型 。 然 后 通 过 实 体 拉 伸 得 到 密 炼 室 内 壁 。 该流场由密炼室内壁与转子外表面之间的空 隙组成 ， 如图 ２ 所示 。 １ ． ２ 数学模型 在拟定流场时 ， 考虑到转子混炼过程中转子 做如下 混 炼 区 的 具 体 工 艺 条 件 及 橡 胶 的 特 性， 假设 ： ① 流体为幂律流体 ； ② 流体为不可压缩流体 ； 重力远小于粘滞力 ， 可忽略不计 ； ③ 惯性力 、 ④ 流场为稳定和等温流场 ； 流动为层流流动 ； ⑤ 胶料雷诺数较小 ， ⑥ 胶料在流道壁面上无滑移 ； ⑦ 流体在流道内是全充满的 。 为了既描述在高剪切速率下的假塑性流体的 流变性质 ， 又描述 在 低 剪 切 速 率 下 牛 顿 流 体 的 流 变性质 ， 本研究采用 Ｃ ａ ｒ ｒ ｅ ａ ｕ 模型 ：
啮合型密炼机和剪切型密炼机是密炼机的两 种基本形式 。 由于剪切型密炼机的高剪切特性使 因此称 其早期在橡胶加 工 行 业 中 得 到 广 泛 应 用 ， 为产量型密炼机 。 啮合型密炼机的研究和开发起 步较晚 ， 然而由于 在 混 炼 方 面 低 剪 切 的 优 良 特 性 使其近年来得到 越 来 越 广 泛 的 应 用 ， 因此称为质 量型密炼机 。 啮合型密炼机的混炼作用发生在两 转子之间的啮合 区 域 ， 为了更清晰地掌握啮合转 子在啮合区域中胶料的变化特点 ， 如胶料的流动 、 流变过程 、 传热机理及剪切和捏料效果等 ， 本工作 采用青岛科技大 学 设 计 的 啮 合 型 转 子 和 Ａ Ｄ Ｉ ＮＡ 有限元分析软件 ， 研究啮合型转子的啮合机理 。 由于其在计 Ａ Ｄ Ｉ ＮＡ 作为 有 限 元 模 拟 软 件 ， 算理论和求解问题的广泛性方面处于全球领先地 位， 尤其针对结构非线性 、 流体和流固耦合等复杂 因此被 业 内 人 士 认 为 是 非 线 性 有 限 元 工程问题 ， 发展方 向 的 代 表 。 经 过 近 ２ ０ 年 的 商 业 化 开 发， Ａ Ｄ Ｉ ＮＡ 已经成为近年 来 发 展 最 快 的 有 限 元 软 件 因此被 以及全球最重要 的 非 线 性 求 解 软 件 之 一 ， 包括机械制 广泛应用于各行 业 的 工 程 仿 真 分 析 ， 造、 材料 加 工 、 航 空 航 天、 汽 车、 土 木 建 筑、 电子电 器、 国防军工 、 船舶 、 铁道 、 石化和能源等各领域 。 １ 模型建立 进行有限元分 析 ， 首先要建立相应的物理模
－３
此本研究假设的胶料流体为塑性流体 。 １ ． ３ 有限元模型 胶料的流场为密炼室内的空间减去两转子的 体积 。 胶 料 流 场 的 三 维 网 格 模 型 如 图 ３ 所 示 ， 转
第２期
边慧光等 ． 密炼机啮合转子的三维流场模拟
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图 ４ 密炼机啮合转子速度场分布
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橡 胶 工 业 ２ ０ １ ２ 年第 ５ ９卷
好， 与实际相符 ； 剪切作用不明显 ， 效率较低 ， 生热 较少 ， 与啮合转子的试验分析结果相符 ， 并且啮合 区速度场较大 ， 与实际两转子之间啮合区域的捏 炼作用一致 。 ３ 结语 由啮合转子的 流 场 分 析 可 知 ， 啮合转子混炼 区在两转子啮合区域 ， 对胶料既有捏炼效果 ， 又有 剪切 效 果 ， 由 此 可 获 得 温 升 较 低、 质量较好的胶 料， 这也是啮 合 型 转 子 应 用 广 泛 的 原 因 。 由 于 剪 因 此 混 合 效 率 和 生 产 效 率 较 低。 切 效 果 不 明 显， 另外 ， 观察到啮合区域为高压力区 ， 并且高压力点 在短棱附近 ， 这也 为 设 计 时 校 核 转 子 强 度 提 供 了 并为 转 子 设 计 提 供 了 可 靠 的 理 论 依 校核危险点 ， 据和技术参数 。 参考文献 ：
— — 粘弹性特征时间 ； λ— — — 剪切速率 ； γ— — — 幂律指数 。 ｎ— ６ ， ， 其中 ， ０ Ｐ ａ·ｓ ０Ｐ ａ·ｓ ０， λ＝１ ０ ＝１×１ η η∞ ＝１ 胶料密 度 为 １． ｎ＝０． ２ ３， ０ ６ ６Ｍ ｇ· ｍ测得 。 由于幂律指数为 －０ ． ３ ８ ５，
［ ］边慧光 ． 密炼机混炼过程中内部流场和温度场的模拟研究 １ ［ 青岛 ： 青岛科技大学 ， Ｄ］ ． ２ ０ ０ ７． ［ 汪 传 生． 混炼挤出一体机密炼转子三维流场模拟 ２］ 吕 春 蕾 ， ［ ］ （ ） ： 橡塑技术与装备 ， Ｊ ． ２ ０ ０ ８， ３ ４ １ １ １ ５． － 第１ ６ 届中国轮胎技术研讨会论文
（ ， ） Ｑ ｉ ｎ ｄ ａ ｏ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ Ｑ ｉ ｎ ｄ ａ ｏ ６ ６ ０ ６ １， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ２ ｇ ｙ ｇ ｙ ｇ
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