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王彦杰1,2(
), 褚岳健1, 杨文明1, 朱惠豪1, 王玉1, 李果1, 谢林生1(
)
收稿日期:2025-07-30
修回日期:2025-11-28
出版日期:2026-02-02
通讯作者:
谢林生
作者简介:王彦杰(1984—),男,博士,wangjie05013403@126.com
Yanjie WANG1,2(
), Yuejian CHU1, Wenming YANG1, Huihao ZHU1, Yu WANG1, Guo LI1, Linsheng XIE1(
)
Received:2025-07-30
Revised:2025-11-28
Online:2026-02-02
Contact:
Linsheng XIE
摘要:
针对含能材料开发了一种桨形螺杆元件,通过有限元数值仿真方法对不同螺杆元件的剪切分散能力及输送分布效果进行了比较,并结合晶体物料破碎行为研究了不同螺杆元件对固体颗粒的破碎效果,以此分析适用于特殊场景的双螺杆连续混合工艺的柔性混合能力。结果表明:开发的桨形元件对物料的剪切作用较弱,并且能够实现高通量的物料体积交换,其具备与其他螺杆元件相当的分布混合能力;在相同工艺条件下,输送-啮合块元件组合型螺杆制备的样品晶体颗粒粒径为单峰分布,输送-桨形元件组合型螺杆制备的样品晶体颗粒粒径为双峰分布,表明桨形螺杆元件对物料的混合作用较为柔和,物料验证性实验则证明了桨形螺杆元件能够实现混合均匀性,在针对具有刺激敏感性的含能材料加工领域具有应用潜力。
中图分类号:
王彦杰, 褚岳健, 杨文明, 朱惠豪, 王玉, 李果, 谢林生. 桨形螺杆元件开发及其柔性混合能力分析[J]. 化工学报, DOI: 10.11949/0438-1157.20250850.
Yanjie WANG, Yuejian CHU, Wenming YANG, Huihao ZHU, Yu WANG, Guo LI, Linsheng XIE. Development of paddle screw elements and analysis of their flexible mixing capability[J]. CIESC Journal, DOI: 10.11949/0438-1157.20250850.
图2 五种不同的螺杆元件: (a)桨形元件、(b)齿形元件、(c)大导程元件、(d)螺纹元件、(e)啮合块元件注:(a) (b) (c) (d) (e)
Fig. 2 Five Different Screw Elements: (a) gear profile element, (b) paddle profile element, (c) S element, (d) screw element, (e) meshing block element
| 边界位置 | 边界代号 | 边界条件 |
|---|---|---|
| 流体入口 | inlet | 体积流率8×10-7 m3/s |
| 螺杆机筒内壁 | outwall | 壁面无滑移vn=vs=0 |
| 螺杆转速 | / | 60 rpm |
| 流体黏度 | η | 105 Pa·s |
| 流体密度 | ρ | 1.6 g/cm3 |
| 流体出口 | outlet | 自由出口 |
表1 模拟边界条件及工艺参数
Table 1 Boundary Conditions for Simulation and Parameters
| 边界位置 | 边界代号 | 边界条件 |
|---|---|---|
| 流体入口 | inlet | 体积流率8×10-7 m3/s |
| 螺杆机筒内壁 | outwall | 壁面无滑移vn=vs=0 |
| 螺杆转速 | / | 60 rpm |
| 流体黏度 | η | 105 Pa·s |
| 流体密度 | ρ | 1.6 g/cm3 |
| 流体出口 | outlet | 自由出口 |
| 螺杆类型 | 啮合块-螺纹元件组合螺杆 | 桨形-螺纹元件组合螺杆 |
|---|---|---|
| 平均粒径 | 284.5 µm | 302.2 µm |
表2 不同螺杆种类制备的样品中的晶体颗粒粒径分布
Table 2 Average Size of Crystal Particle in Samples Prepared with Different Screw Types
| 螺杆类型 | 啮合块-螺纹元件组合螺杆 | 桨形-螺纹元件组合螺杆 |
|---|---|---|
| 平均粒径 | 284.5 µm | 302.2 µm |
| 样品 | 质量/g | 体积/cm3 | 密度/g/cm3 | 平均密度/g/cm3 | 标准差/ g/cm3 | 变异系数/ % |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 23.22 | 13.9 | 1.66 | 1.663 | 0.035 | 2.1 |
| 23.75 | 14.0 | 1.70 | ||||
| 12.84 | 7.9 | 1.63 | ||||
| 2 | 19.89 | 12.0 | 1.66 | 1.667 | 0.040 | 2.4 |
| 14.19 | 8.3 | 1.71 | ||||
| 8.16 | 5.0 | 1.63 | ||||
| 3 | 14.23 | 8.6 | 1.65 | 1.677 | 0.023 | 1.4 |
| 8.47 | 5.0 | 1.69 | ||||
| 17.55 | 10.4 | 1.69 |
表3 固化样品的密度测试值
Table 3 Density Value of Cured Samples
| 样品 | 质量/g | 体积/cm3 | 密度/g/cm3 | 平均密度/g/cm3 | 标准差/ g/cm3 | 变异系数/ % |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 23.22 | 13.9 | 1.66 | 1.663 | 0.035 | 2.1 |
| 23.75 | 14.0 | 1.70 | ||||
| 12.84 | 7.9 | 1.63 | ||||
| 2 | 19.89 | 12.0 | 1.66 | 1.667 | 0.040 | 2.4 |
| 14.19 | 8.3 | 1.71 | ||||
| 8.16 | 5.0 | 1.63 | ||||
| 3 | 14.23 | 8.6 | 1.65 | 1.677 | 0.023 | 1.4 |
| 8.47 | 5.0 | 1.69 | ||||
| 17.55 | 10.4 | 1.69 |
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