牛 旭，劉 越，張雅靜
（東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110819）
摘 要： 造粒模板是切粒系統(tǒng)的主要部位之一，造粒模板內(nèi)部包括加熱通道與物料通道，通道內(nèi)部流動介質(zhì)分別為導(dǎo)熱油和聚乙烯。探究在同等條件下，導(dǎo)熱油進(jìn)口速度分別為0. 01、0. 05、0. 1 m/s 的情況下物料擠出速度與造粒帶溫度分布的均勻性。應(yīng)用 SolidWorks 軟件對造粒模板進(jìn)行三維建模，采用 ANSYS軟件對聚合物與導(dǎo)熱油的流動與傳熱進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得了造粒模板的溫度分布與流體流場分布。結(jié)果表明，導(dǎo)熱油的進(jìn)口速度對造粒模板溫度場的影響明顯，導(dǎo)熱油進(jìn)口速度在0. 01、0. 05、0. 1 m/s 3 個條件下，物料的擠出速度變化不大，造粒帶的溫差分別為14. 08、7. 14 和 5. 39 ℃ 。在導(dǎo)熱油進(jìn)口速度為0. 1 m/s 時，造粒帶溫度分布最均勻。
關(guān) 鍵 詞： 造粒模板；溫度場；流場；數(shù)值模擬
中圖分類號： TQ325. 1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號： 1001-9278（2021）12-0076-05
DOI：10. 19491/j. issn. 1001?9278. 2021. 12. 013
0 前言
造粒機(jī)是塑料深加工裝置的關(guān)鍵設(shè)備，而造粒模板是造粒機(jī)的關(guān)鍵部位之一。 目前，造粒機(jī)的造粒質(zhì)量問題通常是物料的擠出速度過高、溫度不均勻所導(dǎo)致的。 因此，合理控制造粒模板溫度場、物料流場的均勻性對造粒均勻具有重要意義。為解決造粒模板溫度場與流場的不均勻性所帶來的造粒質(zhì)量問題，王敦旭［1］研究了導(dǎo)熱油不同進(jìn)口速度時，造粒模板流場與溫度場分布，得出當(dāng)速度為 50mm/s 時其傳熱效果最好，溫度分布均勻。黨沙沙［2］對 1/4 造粒模板進(jìn)行了模擬研究，得出造粒模板造粒帶處受到冷卻水的作用，溫度最低，造粒模板內(nèi)部導(dǎo)熱油的溫度高，因此造粒模板加熱通道附近溫度高。趙國群等［3］與趙良知［4］模擬了聚合物熔體在收縮口模內(nèi)的流動過程，得到了收縮口模內(nèi)速度場、溫度場的分布。有學(xué)者［5］研究了口模的幾何尺寸對口模內(nèi)流動的影響。任世雄等［6］構(gòu)建了切粒模板的三維傳熱模型，計算了冷卻水、加熱油對對流換熱系數(shù)以及模板溫度場的影響。柳和生等［7?9］對聚合物在擠出口模內(nèi)的流動進(jìn)行模擬，分析了口模內(nèi)熔體流動過程的溫度場和速度場。劉曉峰［10］采用有限元法對造粒模板受力變形進(jìn)行研究，得出影響模板受力變形的主要因素是造粒模板的溫度場分布不均勻。王建［11］模擬了物料在單個?？變?nèi)的流動情況，得到物料的最大流速在物料通道的出口處。本文針對造粒模板的溫度場與流場進(jìn)行仿真模擬，探究在同等條件下，當(dāng)導(dǎo)熱油在不同的進(jìn)口速度時，造粒帶溫度分布是否均勻，物料擠出速度是否合理，通過調(diào)整導(dǎo)熱油的進(jìn)口速度進(jìn)而提升造粒帶溫度均勻性與 控制物料擠出速度，以提升造粒模板的造粒質(zhì)量。同時對導(dǎo)熱油的進(jìn)口速度進(jìn)行改進(jìn)，以得到最好的溫度場與流場模擬結(jié)果來滿足造粒模板最終的造粒質(zhì)量問題。
1 數(shù)值模型與模擬方法
應(yīng)用 ANSYS WorkBench 模擬軟件中的 Fluent 模塊與Steady-State-Thermal模塊分別對造粒模板流場與溫度場進(jìn)行模擬，如圖1所示，兩模塊有兩處數(shù)據(jù)傳遞：
（1）模型信息的數(shù)據(jù)傳遞，即兩個模塊共用造粒模板模型。
（2）將 Fluent 模 塊 的 流 體模 擬結(jié)果 導(dǎo)入 Steady-State-Thermal 模塊中進(jìn)行溫度場計算。
圖1 模擬方法的選用
ANSYS 軟件的模擬過程如下：
（1）將三維實(shí)體模型模擬導(dǎo)入ANSYS模擬軟件；
（2）定義材料屬性及參數(shù)，進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
（3）施加邊界條件、載荷，確定加熱介質(zhì)與物料入口、出口參數(shù)（包括入口溫度、壓力、速度）；
（4）在 ANSYS 軟件 CFD 環(huán)境中進(jìn)行有限元求解；
（5）求解后，獲得流體的流場分布，與導(dǎo)熱油在流動過程中的溫度變化情況；
（6）將物料與導(dǎo)熱油在流動過程中的溫度變化情況導(dǎo)入 Steady-State-Thermal模塊中進(jìn)行造粒模板整體溫度場計算。
根據(jù)模擬方案，首先需應(yīng)用 SolidWorks 軟件對造粒模板三維實(shí)體與兩種流道進(jìn)行建模。造粒模板整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。此模板為八進(jìn)四出型造粒模板，模板整體上包括本體材料 1Cr13 不銹鋼、造粒帶TiC 金屬陶瓷，如圖 2（a）所示，造粒模板內(nèi)部包括加熱通道，加熱通道內(nèi)部加熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油，包括 8個導(dǎo)熱油進(jìn)口與4個導(dǎo)熱油出口，如圖 2（b）所示、物料通道包括 544 個擠出?？兹鐖D2（c）所示。物料通道的擠出?？拙鶆虻胤植荚诩訜嵬ǖ婪至鞯纼?nèi)，以達(dá)到導(dǎo)熱油均勻地向物料傳遞熱量的目的。造粒模板整體結(jié)構(gòu)材料包括本體 材料為1Cr13 不銹鋼、造粒帶材料為 TiC 金屬陶瓷、加熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油、物料為聚乙烯。在 ANSYS 材料庫中選擇4 種材料，其物性參數(shù)如表 1 所示。
圖2 造粒模板結(jié)構(gòu)示意圖
為對造粒模板進(jìn)行精確模擬與分析，經(jīng)驗(yàn)證造粒模板的溫度場與流場分布呈1/4 對稱，因此可對 1/4 造粒模板進(jìn)行模擬計算。保證計算結(jié)果準(zhǔn)確性的同時，大大減少模擬時間。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3 所示。加熱通道與物料通道的網(wǎng)格劃分包括節(jié)點(diǎn)數(shù)1528052；單元數(shù) 6983267，如圖 3（a）所示，對造粒模板的網(wǎng)格劃分包括節(jié)點(diǎn)數(shù)2349 706；單元數(shù)1394160，如圖3（b）所示。網(wǎng)格劃分結(jié)束后，施加邊界條件并進(jìn)行計算。
圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果（局部）
2 模擬結(jié)果與分析
根據(jù)上述對造粒模板的溫度場與物料的流場進(jìn)行模擬，對模擬結(jié)果進(jìn)行分析。通過計算造粒帶溫差，分析造粒模板造粒帶溫度是否均勻，觀察物料擠出時是否存在溫度過高或過低的現(xiàn)象，并分析物料的擠出速度是否合理，是否能滿足與切粒刀相互配合，切出質(zhì)量合格且大小均勻的聚乙烯粒料。通過調(diào)整導(dǎo)熱油的進(jìn)口速度研究其對造粒模板溫度場與流場的影響，選擇最優(yōu)的導(dǎo)熱油進(jìn)口速度，提升造粒帶溫度的均勻性。
2. 1 流場模擬結(jié)果
對于流場的模擬，主要觀察物料在受到導(dǎo)熱油加熱作用情況下，物料在通道內(nèi)的流動情況，探究不同導(dǎo)熱油進(jìn)口速度對物料擠出速度的影響是否明顯，并分析物料的擠出速度是否合理。 當(dāng)導(dǎo)熱油入口速度分別為0. 01、0. 05、0. 1 m/s 時計算得到物料的速度分布結(jié)果分別如圖4 所示。
圖4 物料流場模擬結(jié)果
分析模擬結(jié)果顯示，物料在通道內(nèi)的流速從入口至出口是逐漸變大的，當(dāng)物料通道的孔徑開始變小時，速度變化較為明顯，最大速度均集中在出口處，在3個導(dǎo)熱油入口速度下，物料的出口速度分別為 0. 863 8、0. 861 2、0. 860 1 m/s，且均無回流現(xiàn)象發(fā)生。可見，導(dǎo)熱油入口速度對物料擠出速度的影響不大，且物料的擠出速度合理，能滿足切粒質(zhì)量的要求。
2. 2 溫度場模擬結(jié)果
物料的流場模擬結(jié)束，且模擬結(jié)果合理后，進(jìn)行造粒模板溫度場的模擬。重點(diǎn)觀察造粒帶的溫度分布，得到物料在擠出時的溫度。因此選擇金屬陶瓷與冷卻水的接觸面進(jìn)行溫度計算并進(jìn)行觀察，得到如圖5 所示的結(jié)果。圖 5（a）為物料進(jìn)口速度為0. 01 m/s時造粒帶的溫度分布，在此工作面上的最高溫度為125. 19℃，最低溫度為94. 9℃。圖5（b）為物料進(jìn)口速度為0. 05 m/s 時造粒帶的溫度分布，在此工作面上的最高溫度為131. 17℃，最低溫度為108. 18℃。圖 5（c）為物料進(jìn)口速度為0. 1 m/s 時造粒帶的溫度分布，在此工作面上的最高溫度為135. 31 ℃，最低溫度為108. 33℃。由此結(jié)果得出造粒帶的溫差較大，分析原因?yàn)槟？滋幍奈锪蠝囟容^高，而造粒帶的邊界與冷卻水相接觸，且邊界處受 到物料與導(dǎo)熱油的傳熱較少，因此溫度較低。
圖5 造粒帶溫度分布情況
為了更精確地獲得造粒帶?？讌^(qū)的溫度均勻性，對造粒帶上的?？走M(jìn)行溫度分析。由于造粒模板在結(jié)構(gòu)上呈1/8 對稱，因此工作面上選取1/8造粒模板上共計68個?？孜恢萌鐖D 6 所示進(jìn)行?？滋幍臏囟确治?。圖 6（a）為導(dǎo)熱油進(jìn)口速度為0. 01 m/s 時68個模孔的溫度分布，68個模孔的最高溫度為125. 19℃，最低溫 度為111. 01℃，溫差為14. 18℃。圖 6（b）為導(dǎo)熱油進(jìn) 口速度為0. 05 m/s 時68個模孔的溫度分布，68 個模孔的最高溫度為 135. 25 ℃，最低溫度為128. 21℃，溫差為7. 14℃。圖6（c）為導(dǎo)熱油進(jìn)口速度為0. 1 m/s時68個?？椎臏囟确植?，68個模孔的最高溫度為131. 09℃，最低溫度為125. 7℃，溫差為5. 39℃。根據(jù)模擬結(jié)果可以得出，導(dǎo)熱油進(jìn)口速度為0. 1 m/s 時，?？滋幍臏夭钭钚?，溫度分布最均勻，隨著導(dǎo)熱油進(jìn)口速度增加，造粒帶溫度的均勻性有所提高。
圖6 造粒帶上選取的 10 個模孔
2. 3 模擬結(jié)果總結(jié)
對造粒帶溫度場模擬結(jié)果進(jìn)行總結(jié)如表2 所示。隨著導(dǎo)熱油進(jìn)口速度的增大，物料的擠出速度呈現(xiàn)變小的趨勢，且造粒帶溫度差越來越小，造粒帶溫度越來越均勻。因此，為最終滿足造粒質(zhì)量，在其他條件一致時，應(yīng)選取導(dǎo)熱油進(jìn)口速度0. 1 m/s、進(jìn)口溫度280℃，以使物料的擠出速度為0. 860 1 m/s、造粒模板造粒帶 的溫度分布為125. 7~131. 07℃、造粒帶的溫度差為5. 39℃ 。實(shí)現(xiàn)擠出速度合理，且造粒帶溫度分布均勻，達(dá)到提升造粒質(zhì)量的目的。
為探究物料在通道內(nèi)流動過程中的溫度變化情況，選取物料流動過程的一條路徑，物料的流動路徑如圖7所示，a點(diǎn)為物料的進(jìn)口、b 點(diǎn)為物料開始流經(jīng)金屬陶瓷的位置、c 點(diǎn)為物料出口。在3種不同的導(dǎo)熱油進(jìn)口速度時觀察物料在通道內(nèi)流動過程中的溫度變化，如圖8所示，在物料通道內(nèi)ab 段流動過程中，物料受導(dǎo)熱油的加熱作用，溫度呈現(xiàn)上升的趨勢。流經(jīng)bc段時物料受到冷卻水的影響，溫度呈線性降低的趨勢，最終溫度在c點(diǎn)處達(dá)到最低。通過3條溫度曲線的觀察，導(dǎo)熱油在進(jìn)口速度為0. 1 m/s 時，物料在通道內(nèi)的溫度相對較高，分析其原因：導(dǎo)熱油流速快，單位時間內(nèi)傳遞的熱量多，熱量損失小，物料在流動過程中受熱情況明顯。
圖7 物料流經(jīng)路徑
圖8 物料在通道內(nèi)不同位置處的溫度情況
3 模擬結(jié)果可行性分析
通過設(shè)置材料的參數(shù)，物料與導(dǎo)熱油的邊界條件，以及物料與造粒模板本體，導(dǎo)熱油與本體，本體與外部環(huán)境、冷卻水與金屬陶瓷間的換熱形式與換熱系數(shù)，在ANSYS 模擬軟件上實(shí)現(xiàn)一個特定的計算，模擬造粒模板在實(shí)際工況條件下物料與導(dǎo)熱油的流動情況，以及物料在受到加熱與冷卻作用下的溫度變化情況。通過將造粒模板模型劃分為若干個有限的單元，使得計算更加精確。
造粒模板最終造粒尺寸為?2 mm×2 mm，即擠出的物料經(jīng)冷卻后被切粒刀切粒的長度為2mm，物料的擠出速度為0. 860 1 m/s。由于造粒尺寸是由物料的擠出速度與切粒刀相互配合實(shí)現(xiàn)的，而切粒刀的結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)速是可控的，因此可由此計算出切粒刀的轉(zhuǎn)速。經(jīng)計算，當(dāng)切粒刀的切割當(dāng)量為180次/s、切粒刀刀片數(shù)量為20，切粒刀的轉(zhuǎn)速為9 rad/s，此條件可以實(shí)現(xiàn)。因此，此模擬結(jié)果可以滿足最終切粒質(zhì)量要求。
4 結(jié)論
（1）采用 ANSYS 模擬軟件 Fluent 模塊與Steady-State-Thermal模塊對造粒模板溫度場與流場進(jìn)行模擬計算是可行的，能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)物料的擠出速度與造粒帶工作面溫度的均勻性；
（2）隨著導(dǎo)熱油進(jìn)口速度的增加，物料的出口速度逐漸降低，且造粒帶的溫差逐漸減小，造粒帶溫度均勻性越好，可見導(dǎo)熱油的流動傳熱作用影響著造粒模板的溫度場與流場；
（3）同等條件下，導(dǎo)熱油進(jìn)口速度為0. 1 m/s、進(jìn)口 溫度為280℃ 時，造粒帶溫度均勻性 最好，溫差為5. 29℃，物料的擠出溫度為0. 860 1 m/s。
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