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螺旋芯棒式机头具有优异的挤出性能,广泛地应用于吹塑薄膜型坯、管材挤出成型,但这种机头结构复杂。目前,对这种机头内熔体流动特性的研究普遍采用集总参数法,并引入了较多的假设。对机头流道内熔体的流动进行三维数值模拟,有助于深入揭示流道内熔体的流动特性,为这种机头的设计提供指导作用。
网格划分对于流体流动数值模拟的精度有重要影响。通过对螺旋芯棒式机头流道的不同网格划分方案进行比较,找到了合理的网格划分方案。以此为基础,对不同挤出产量下螺旋芯棒式机头内熔体的流动行为进行了数值模拟,并与试验结果相比较,机头压力降相差9%。
螺旋分配系统是螺旋芯棒式机头的核心,熔体在螺旋分配系统内的速度场和压力场直接影响熔体的出口速度均匀性和机头压力。通过对螺旋分配系统内熔体流动的数值模拟表明,螺旋芯棒式机头流道在环形间隙的入口处存在着熔体滞流区,滞流区以外的熔体沿轴向流动的同时,在离入口较近的区域还存在较小的环向流动,随着环形间隙厚度的逐渐增大,环向流动不断减小,熔体逐渐变为完全沿轴向流动。而螺槽内的熔体刚进入螺槽时基本是沿着螺槽方向流动,随着螺槽的逐渐消退,螺槽内的熔体慢慢变得偏向轴向流动。除滞流区以外的环形间隙内熔体的压力等值线在离入口较近的区域与出口端面有一定的夹角,随着环形间隙厚度的不断增大,该夹角逐渐变小,最后,环形间隙内熔体的压力等值线基本变得和出口端面平行。螺槽内熔体的压力等值线在开始时基本上垂直于螺槽方向,随着螺槽的逐渐消退,螺槽内熔体的压力等值线与螺槽垂直面之间的夹角越来越大,最后逐渐变得与出口端面平行。
螺旋芯棒式机头结构参数多,特别是主要结构参数对熔体出口速度均匀性和机头压力降有重要影响。为了给螺旋芯棒式机头设计提供一些依据,本文还采用数值模拟与正交试验相结合的方法,研究了螺旋芯棒式机头的螺槽个数N、芯棒锥角α、螺槽起始截面积S和螺旋升角β四个结构参数对出口速度分布均匀性和机头压力降的影响规律。结果表明,出口速度分布均匀度随螺槽个数的增大而增大,随螺旋升角的增大而降低,但是随螺槽起始截面积和芯棒锥角的变化没有明显的变化趋势;机头压力降随螺槽个数、芯棒锥角、螺槽起始截面积和螺旋升角的增大而减小。