Page 119 - 《橡塑技术与装备》2025年1月

产品与设计
PRODUCT AND DESIGN

两端壁面处，熔体速度呈现逐渐递减的趋势，两侧靠 为 3 000 mm，进料段较长，管子两端又处于固定的状
近壁面处为速度值最低，且速度大小呈现两侧对称分 态，因此，进入入口处的熔体在压力和温度的耦合作
布，这是因为壁面考虑为无滑移作用下，壁面与熔体 用下，对管子的作用力主要集中在入口端。三种结构
的黏滞力较大，摩擦力也较大。此外，由于熔体黏度 的最小总变形量均为 0.0 mm，进料管的变形量很小，
值较高，因此速度突变较小，变化较为平稳。 满足小变形假设理论，适合采用单向热流固耦合的方
法。
通过对比不同进料管结构的热变形图，发现热变
形量大小顺序为 ：图 6(c)>(a)>(b)，其中，6(b)的
进料管结构的变形量最小，优先选用图 6(b) 结构。

图 5 不同进料管结构的速度云图
对 比 不 同 进料 管 结 构 的 速 度 云图， 发 现 图 5(a)
中速度场最大值约为 4.5×10 -2 m/s，图 5(b) 中速度场
最大值约为 4.9×10 -2 m/s，图 5(c) 中速度场最大值为
4.8×10 -2 m/s，三种进料管结构的速度场大小顺序为 ： 图 6 不同进料管结构的热变形图
图 5(b)>(c)>(a)，图 5(b) 进料管结构的直线运动作
如图 7 所示，为三种不同进料管结构沿三个方向
用更为明显和流畅，说明图 5(b) 进料管结构的设计
的热变形情况。从图 7 中可以得知 ：图 7(a) 中进料管
有利于提高熔体流动的稳定性。
的最大变形量为 5 mm，发生最大变形的方向为 Z 轴，
3.4 热变形分析
图 7(b) 中进料管的最大变形量为 1.83 mm，发生最
采用热流固耦合的数值模拟方法，模拟计算与分
大变形的方向为 Y 轴，图 7(c) 中进料管的最大变形
析挤出机进料管的总变形，在 Fluent（流场计算软件）
量为 5.94 mm，发生最大变形的方向为 Y 轴。
计算了三种不同进料管结构通入高黏熔体物料时流场
对比不同进料管结构沿三个方向的热变形，发现
中的压力场。当流场分析模块和热应力分析模块之间
图 7(b) 的进料管结构中 Y 方向的最大变形量最小，
建立数据传输时，实现高黏熔体物料的流场与热场耦
优先选用图 7(b) 结构。
合，在热分析模块中实现挤出机进料管的热场与进料
综上所述，通过对比三种进料管结构在相同的工
管的耦合，流体和固体区域之间的数据界面应高度匹
况下，通入高黏熔体 POE 对进料管的压力分布及热变
配，以确保压力和温度载荷能够准确地传递。最后在
形分布的情况，可以发现模型 2 在模拟计算过程中所
结构分析模块中进行了进料管固体力学计算，实现进
受的压力差最小，最大变形量也最小。因此，本文选
料管结构的热流固耦合计算。
用模型 2 作为螺杆挤出机实际生产过程中的进料管结
如图 6 所示，为三种不同形式的进料管结构在热
构。
流固耦合作用下的变形云图。从图 6 中可以得知 ：
图 6(a) 中进料管的最大变形量为 6.1 mm，发生
4 实验与仿真对比
最大总变形的位置在靠近弯管处，图 6(b) 中进料管的
为了验证本文选用的模型的准确性，本单位在某
最大变形量为 2.94 mm，发生最大总变形的位置在第
石化厂合作完成了相应的实验，验证了数值模型的准
二节弯管处，图 6(c) 中进料管的最大变形量为 9.48
确性。结合挤出机实际生产条件，从熔体进料管的入
mm，发生最大总变形的位置在熔体入口处，发生最大
口端和出口端分别设定相应的参数，测量了整个进料
变形的位置在入口处是因为该结构进料管竖直段长度
管的关键工况参数，并计算得到平均值。实验监测结

年
2025 第 51 卷 ·69·