Page 57 - 《橡塑技术与装备》2025年11期

理论与研究
THEORY AND RESEARCH

立式捏合机物料流场的黏性修正计算

仿真方法研究

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李冰栩 ，李斌 ，张冰 1*
(1. 北京化工大学机电工程学院，北京 100029 ；
2. 湖北航天化学技术研究所，湖北 襄阳 441000)

摘要 ： 针对传统 CFD 软件在立式捏合机流场仿真中存在建模复杂、计算效率低的问题，提出了一种基于动态网格技术的专用
仿真方法，并自主开发了配套的仿真软件系统。该系统采用 C++/Qt 架构，基于 OpenGL 构建六面体网格。创新性地采用逐行扫
描法实时提取流体域，采用幂律模型修正物料的有效粘度，通过预测速度 - 压力修正的迭代算法，求解流场。通过 30 L 立式捏
合机实例验证表明，该软件可准确模拟桨叶自转、公转耦合运动下的物料流场特性，仿真结果与实际情况吻合较好，能够为立式
捏合机制造企业提供有效的分析工具支持。
关键词 ： 立式捏合机 ；流场 ；黏性修正
中图分类号 ： TQ330.64 文章编号 ： 1009-797X(2025)11-0013-06
文献标识码 ： B DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2025.11.003

0 引言 式捏合机工艺仿真软件，该软件具有立式捏合机的速
立式捏合机是推进剂加工的关键设备 [1] ，随着其 度场、压力场的数值模拟计算功能。
混合容积不断提高，且在高黏度、高剪切条件下运行
的特点，搅拌桨叶与物料之间存在强烈的耦合作用 [2] ， 1 几何模型构建
使得在搅拌过程中容易发生安全事故 [3] 。通过对立式 1.1 桨叶模型构建与网格划分
捏合机搅拌流场进行仿真，深入了解物料的运动规律， 本文立式捏合机的桨叶为实心桨和空心桨两种结
对提高立式捏合机混合过程的安全性具有重要意义。 构。采用 OpenGL 构建桨叶的三维模型。具体实现为：
计算流体力学（CFD）在 20 世纪 80 年代取得了 将多个六面体网格逐层堆叠，同时完成桨叶几何模型
显著进展 [4] ，目前主流的通用 CFD 仿真软件有美国 构建和网格划分。30 L 立式捏合机桨叶构建和网格参
ANSYS 公司的 Fluent、CFX 以及瑞典 COMSOL 公 数如表 1 所示。
[5]
司的 COMSOL Multiphysics ，这些软件均由英美国 表 1 30L 立式捏合机桨叶构建和网格参数
家开发。对于立式捏合机两桨叶既自转又公转的行星 参数名称 实心桨参数值 空心桨参数值
桨叶直径 /mm 168 168
运动，这些通用软件的仿真过程操作繁琐，流程复杂。 桨叶基圆直径 /mm 54 54
桨叶高度 /mm 240 240
在国内方面，一些研究机构和公司也开发出了通用
桨叶螺旋角 /° 84.5 163.6
CFD 仿真软件，可实现对立式捏合机的流场仿真，如 搅拌轴高度 /mm 50 50
桨叶网格生成精度 /mm 1 1
[6]
中国科学院力学研究所开发的 OpenCFD ，深圳十沣
桨叶网格数量 403 200 300 600
[7]
科技有限公司开发的 TF-QFLUX ，但同样存在仿真 实心桨和空心桨网格模型如图 1 所示。
操作流程复杂的问题。因此，需要开发一种操作简捷、 1.2 流体域模型构建与网格划分
界面直观、计算效率更为高效的立式捏合工艺仿真软 立式捏合机的流体域仿真模型采用逐行扫描法进
件以满足相关制造企业的分析需要。 行构建，以实现桨叶网格与流场网格之间的布尔差集
本文采用 C++ 作为编程语言， Qt 作为用户界面开
作者简介 ：李冰栩 (2001-), 男 , 硕士研究生在读，主要
发工具，OpenGL 作为图形渲染工具，开发了一种立
从事精密挤出成型工艺与设备方面的研究。

年
2025 第 51 卷 ·13·