鄧世欣，王 建，楊衛(wèi)民

（北京化工大學(xué)機電與工程學(xué)院，北京 100029）

0 前言

反應(yīng)注射成型（reaction injection molding，RIM）是一種將兩股可以反應(yīng)的物料在混合頭內(nèi)對撞混合，然后射入模具中使之完全反應(yīng)生成制品的復(fù)合材料成型加工方法。最常見的就是異氰酸酯和聚醚多元醇反應(yīng)生成聚氨酯制品?；旌项^作為反應(yīng)注射成型機器中重要部件極具研究的意義，根據(jù)混合方式的不同混合頭又分為攪拌混合頭、對撞混合頭、空氣混合頭和摩擦式混合頭［1］。每種混合頭具有不同的特點，根據(jù)物料的特點和實際生產(chǎn)的需求選取適合的混合頭。計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD），是一種可以通過預(yù)設(shè)的邊界條件和計算，從而獲得流場內(nèi)某個位置以及一些關(guān)鍵點的速度、壓力、溫度等物理量以及這些物理量隨時間的變化情況，通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示根據(jù)這些信息，對模擬的流場進行優(yōu)化設(shè)計［2］。CFD分析可用于RIM混合頭的混合效果分析中，用于指導(dǎo)相關(guān)結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)和工藝參數(shù)的設(shè)計與優(yōu)化。付琳等［3］利用CFD對低壓攪拌混合頭的葉片層數(shù)、周向葉片數(shù)和葉片傾斜角3個參數(shù)對混合效果的影響進行了模擬分析，有效地指導(dǎo)如何優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。戴兵等［4］模塊化設(shè)計了聚氨酯發(fā)泡設(shè)備，通過CFD仿真分析了混合頭尺寸參數(shù)和混合壓力對混合效果的影響，確定了最佳的混合頭尺寸參數(shù)和混合壓力值。李山鵬及其團隊對聚氨酯電動發(fā)泡機在公路修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用進行了研究，利用了Fluent軟件，對高壓高速混合的3種撞擊方式分別進行了模擬，最終確定了采用一種旋撞混合方式來提高其混合效果［5］。Ying Liu及其團隊利用CFD軟件對化學(xué)過程中常見的一種撞擊射流反應(yīng)器進行了混合反應(yīng)的預(yù)測性分析，基于基本湍流運輸理論能夠準(zhǔn)確的預(yù)測湍流對應(yīng)的射流雷諾數(shù)范圍內(nèi)的實驗轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)［6］。增強反應(yīng)注射成型（RRIM）是在反應(yīng)注射成型（RIM）的原液中加入增強填料如玻璃纖維、碳纖維、Kevlar纖維、云母片、硅灰石、玻璃微球和中空玻璃微球等［7］。上述CFD分析均是針對常規(guī)RIM混合頭開展的，鮮有對于RRIM混合頭的CFD分析報道。與RIM聚氨酯材料相比，RRIM聚氨酯材料彎曲強度、撕裂強度和壓縮強度有明顯提高、尺寸穩(wěn)定性增強、耐熱和耐化學(xué)性提高、硬度增大。RRIM增加了填料預(yù)先加入原料預(yù)混合的過程，同時增強填料的加入使原料的黏度急劇上升，因此必須重視增強填料的加入帶來的各種問題，包括增強填料和原料之間的浸潤性、分散性；傳送過程的沉積、對設(shè)備的磨損和計量系統(tǒng)的影響。本文通過CFD方法模擬分析了以玻璃微球（SiO2）作為增強填料加入多元醇（POLY）組分與異氰酸酯在L形混合頭中對撞混合的過程，旨在得出其混合特性及流動規(guī)律，指導(dǎo)針對此類工況下的混合頭設(shè)計及工藝優(yōu)化工作。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

1.1.1 物理模型

混合頭的結(jié)構(gòu)為L形，采用循環(huán)式系統(tǒng)，內(nèi)部兩組分進料口直徑為2 mm，混合區(qū)直徑為8 mm，噴口處直徑為12 mm，模型及工作原理如圖1所示。當(dāng)混合腔閥門在圖1中的左圖時AB兩組分原料流經(jīng)混合腔內(nèi)后回流，噴嘴閥門向上移動準(zhǔn)備打開。在圖1中的中圖時，噴嘴閥門完全開啟，混合腔閥門準(zhǔn)備打開。在圖1中的右圖時，混合腔閥門完全打開，此時AB兩組分原料在混合腔內(nèi)進行高速對撞混合，并由噴嘴處射出至模具中。

圖1 L形混合頭工作原理示意圖Fig.1 Mixing head of type“L”working principle schematic diagram

1.1.2 網(wǎng)格劃分

由于高速高壓碰撞區(qū)域復(fù)雜且形狀不規(guī)則，若不考慮結(jié)構(gòu)特點而整體采用精密的網(wǎng)格則會使得計算機負(fù)載過大，增加了計算時間。因此在混合腔部分采用了局部加密，網(wǎng)格單元大小為1 mm，整體網(wǎng)格數(shù)量為501 281，如圖2所示，6種邊界條件下均采用相同的網(wǎng)格劃分。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshing of mixed heads

1.2 控制方程及邊界條件

1.2.1 控制方程

控制方程選用Realizable k-ε模型：

式中ρ——流體密度

V——運動黏度

xi，yi——各坐標(biāo)分量

Gk——平均速度梯度所產(chǎn)生的湍動能

σk，σε——湍動能k和湍流耗散率ε的湍流普朗克數(shù)

1.2.2 材料特性與邊界條件

A 料異氰酸酯（Lsocyanate），密度為 1.233×10-6kg/mm3，動力黏度為 2×10-7N·s/mm2，比熱為2.515 6×106N·mm/（kg·℃），熱導(dǎo)率為 0.2 N·mm/（mm·s·℃）。B料聚醚多元醇（Polyether polyol），B1為添加了5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）SiO2的聚醚多元醇，其密度為1.044×10-6kg/mm3，動力黏度為1.72×10-6N·s/mm2，比熱為1.67×106N·mm/（kg·℃），熱導(dǎo)率為0.18 N·mm/（mm·s·℃）；B2 為添加了7.5%SiO2的聚醚多元醇，其密度為1.061×10-6kg/mm3，動力黏度3.885×10-6N·s/mm2，比熱為1.67×106N·mm/（kg·℃），熱導(dǎo)率為0.18 N·mm/（mm·s·℃）。B3為添加了10%SiO2的聚醚多元醇，其密度為1.078×10-6kg/mm3，動力黏度6.05×10-6N·s/mm2，比熱為1.67×106N·mm/（kg·℃），熱 導(dǎo) 率 為 0.18 N·mm/（mm·s·℃）。 B4 為 添 加 了12.5%SiO2的聚醚多元醇，其密度為1.095×10-6kg/mm3，動 力 黏 度 8.215×10-6N·s/mm2，比 熱 為 1.67×106N·mm/（kg·℃），熱導(dǎo)率為0.18 N·mm/（mm·s·℃）。B5為添加了15%SiO2的聚醚多元醇，其密度為1.113×10-6kg/mm3，動 力 黏 度 10.38×10-6N ·s/mm2，比 熱 為 1.67×106N·mm/（kg·℃），熱 導(dǎo) 率 為0.18 N·mm/（mm·s·℃）。

環(huán)境溫度/初始組件溫度為20.05℃，A料/B料=1∶1，A料（ISO）入口質(zhì)量流量分別為：0.05、0.1、0.15 kg/s；B料（POLY）入口質(zhì)量流量分別為：0.05、0.1、0.15 kg/s。環(huán)境壓力為0.101 325 MPa。如表1所示的6組邊界條件進行模擬。

表1 各邊界條件編號Tab.1 Number of each boundary condition

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 流量對混合效果的影響

根據(jù)控制變量法，首先探究質(zhì)量流量變化對混合效果產(chǎn)生的影響，如圖3、圖4所示對比同樣采用B1料（5%SiO2）的1-1，1-2，1-3這3種邊界條件下的速度分布和壓力分布云圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著質(zhì)量流量的增加，混合腔內(nèi)的平均速度和壓力顯著升高。同時顯而易見的是速度和壓力在豎直剖視云圖上呈現(xiàn)右上角為高壓高速對撞混合區(qū)，因此壓力和速度最大區(qū)域為右上角對撞混合區(qū)域，在經(jīng)過對撞混合后壓力速度由對撞混合區(qū)到出口逐漸降低；在水平剖視云圖上看速度和壓力分布是不均勻的，雖然A料（ISO）的密度大于B料（POLY），在相同的質(zhì)量流量下B料入口的流速大于A料入口的流速，但是在靠近B原料出口處出現(xiàn)了高壓高速區(qū)，可見AB兩組分黏度差異是主要影響因素，當(dāng)入口質(zhì)量流量相同時，導(dǎo)致AB料高速碰撞位置偏向于黏度高的B料（POLY）一側(cè)。

圖3 A料與B1料混合速度分布云圖Fig.3 Cloud diagram of mixing speed distribution of materials A and B1

圖4 A料與B1料混合壓力分布云圖Fig.4 Cloud diagram of mixed pressure distribution of materials A and B1

2.2 黏度對混合效果的影響

將采用B3、B5料進行模擬的3-1、3-2、3-3、5-1、5-2、5-3這6組結(jié)果與1-1、1-2、1-3對比。如圖5、圖6所示，相同的質(zhì)量流量下隨著黏度的增大混合腔內(nèi)速度變化不大，但是速度分布區(qū)別較大；在水平剖視圖中靠近高黏度的B料入口處的高壓高速區(qū)域隨著B組分中SiO2含量增加而顯著擴大，且相同質(zhì)量流量下的高壓高速對撞區(qū)域因為黏度差的增加更加偏向于高黏度物料出口處。

圖5 速度分布云圖Fig.5 Velocity distribution cloud diagram

圖6 壓力分布云圖Fig.6 Pressure distribution cloud diagram

2.3 流動過程中數(shù)值變化

為了更好的表征整個混合頭內(nèi)兩組分混合過程中各個重要參數(shù)的變化，如圖7左上所示，從兩組分物料入口處開始到出口，以混合頭圓柱形腔的中心軸線建立x軸，根據(jù)仿真結(jié)果繪制成如圖7所示速度、靜壓、密度以及物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線。顯而易見的是15組邊界條件下的速度和壓力在0～10 mm區(qū)域變化劇烈，這是因為此時兩種物料在混合區(qū)初段，在混合區(qū)末段和射出區(qū)域逐漸平穩(wěn)。軸線上的密度5-1曲線最快趨于平穩(wěn)且整體波動不大，是因為這一組邊界條件有著最大的黏度和最慢的流速，因此混合效果最差。同理軸線上異氰酸酯和含有SiO2的聚醚多元醇兩組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也是5-1條件下最快趨于平穩(wěn)且整體曲線波動不大。根據(jù)仿真計算的結(jié)果選取如表2所示15組模擬的平均總壓、平均速度、平均湍流黏度長度強度和摩擦力的大小。對比相同流量不同SiO2含量下平均速度和平均總壓的變化，可以看出隨著SiO2濃度的增加平均速度有所下降，但平均總壓有所提升。無論是增加了流量還是SiO2的含量平均動力黏度與摩擦力均有明顯的提升，也就是想要獲得良好的混合效果，對混合頭混合區(qū)域的磨損相應(yīng)地也會增加，因此在設(shè)計混合頭時對耐磨性的設(shè)計考慮也成為了重要的因素之一。湍流強度作為衡量一個流動過程中流體隨時間變化而在空間中位移的劇烈程度的物理量，很好的表征了15種邊界條件下的混合效果。在SiO2含量最少也就是黏度低，同時流量最大的情況下?lián)碛凶畲蟮钠骄牧鲝姸茸詈玫幕旌闲Ч骄牧鲝姸入S著流量的降低和黏度的增加而減小，且黏度對其影響較大。

圖7 速度、靜壓、密度以及物料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線Fig.7 Variation curves of velocity，static pressure，density and mass fraction of the materials

表2 各組模擬結(jié)果的重要參數(shù)Tab.2 Important parameters of simulation results of each group

2.4 粒子示蹤分析

在實際的反應(yīng)注射成型過程中，所添加的SiO2顆粒的分散效果對最終制品的性能起到?jīng)Q定性的作用。當(dāng)增加了SiO2粒子含量導(dǎo)致POLY組分的黏度增加時，為了探究SiO2粒子在混合過程中的分散效果，以及分散效果最終受到哪些因素的影響，筆者在前面的15組模擬的邊界條件下進行了粒子的示蹤模擬分析。本粒子示蹤模擬分析在POLY入口處注入了SiO2顆粒，顆粒粒徑為100 μm，點數(shù)為20。停留長度是指的各個粒子在整個混合過程中流動的距離，流動距離越長說明混合的越充分，混合效果越好；停留時間則是指的各個粒子在整個混合過程中由入口平面到達出口平面所用的時間。對上述兩個重要的參數(shù)取平均值得到了如圖8所示的20個粒子的平均停留長度和平均停留時間統(tǒng)計圖。顯而易見的是顆粒在混合腔內(nèi)的停留長度受到物料黏度的影響較大，而且黏度較高的物料停留長度更加穩(wěn)定。顆粒平均停留長度隨質(zhì)量流量的提高而增長；隨物料黏度的提高而減短。顆粒在混合腔內(nèi)的停留時間隨質(zhì)量流量的提高而減短，黏度較高物料的顆粒停留時間略長。

圖8 粒子平均停留長度和停留時間圖Fig.8 Average retention length and average retention time

3 結(jié)論

（1）增加質(zhì)量流量會導(dǎo)致混合腔內(nèi)速度壓力的提升也就是對撞程度變高，同時對撞的位置會更加偏向于黏度高的物料出口側(cè)，且摩擦力增加；

（2）增加黏度會導(dǎo)致混合腔內(nèi)物料的壓力提升速度降低，同時對撞位置明顯更加偏向于黏度高的物料出口側(cè)，且摩擦力顯著增加；

（3）作為增強材料的顆粒在混合腔內(nèi)的停留長度隨質(zhì)量流量的提高而增加，隨物料黏度的提高而減短且受到黏度的影響較大；停留時間則隨質(zhì)量流量的提高而顯著減短，隨物料黏度的提高而略微增加。