بررسي تاثير زاويه پيچ اكسترودر تك پيچه بر عملكرد پمپاژ آن در سيّالات نيوتني و غيرنيوتني

Study of the helix angle effect on the pumping performance of Newtonian and non-Newtonian flows in single screw extruders

در اين تحقيق اثر زاويه پيچ و عمق كانال بر دبي جريان يك سيال نيوتني و يك سيال غير نيوتني دما ثابت تراكم ناپذير در اكسترودر تك پيچه بررسي شده است. در اين تحقيق از افت فشار صرف‌نظر شده و تنها نيروي محركه درون اكسترودر، نيروي درگ است. به اين منظور كانال اكسترودر به دو صورت كانال مستقيم و مارپيچ در نظر گرفته شده است. شبيه سازي كانال مستقيم توسط نرم افزار فلوينت براي سيال نيوتني انجام گرفت و نتايج با حل تحليلي در چندين زاويه مقايسه شد. در مرحله بعد يك گام كانال مارپيچ كم عمق براي سيال نيوتني مورد بررسي قرار گرفت و با حل تحليلي در زاويه هاي مختلف و در رينولدز هاي پايين مقايسه شد. بررسي ها دامنه صحت رابطه تحليلي را در رينولدز هاي مختلف نشان داد. نتايج نشان دادند كه در رينولدزهاي كمتر از 10 و نسبت عمق كانال به شعاع كمتر از 2/0 حل عددي و تحليلي نتايج يكساني در سيالات نيوتني دارند. بنابراين در اين بازه مي توان از حل تحليلي براي محاسبه زاويه بهينه، محاسبه دبي، توزيع سرعت، توزيع تنش برشي و پارامتر هاي ديگر استفاده كرد. نتايج مطالعه سيال غير نيوتني نشان مي دهند كه دبي پمپاژ اكسترودر در زواياي كم پيچ براي سيال غير نيوتني بيش از مورد نيوتني و در زواياي بالاتر كم تر مي باشد.

In this research the effect of the screw angle and the depth of the channel were examined on the flow rate of an incompressible Newtonian isothermal and a non-Newtonian fluid flow in a single screw extruder. In the present study only drag force was considered rather than pressure drop. For this purpose, the extruder channel was assumed to be a cubic and spiral channel. Accordingly the Newtonian flow was simulated by Fluent software package and the results were compared with analytical solution in several angles. Then one step from the shallow spiral channel was examined and the results were compared with analytical solution in different angles and also at low Reynolds numbers. Hence, the obtained results reveal the range of validity for the analytical solution at different Reynolds numbers. As the results show, at low Reynolds numbers, up to 10, and the ratio of channel depth to diameter, less than 0.2, numerical and analytical results are the same for Newtonian fluids. Identically, in this range the analytical solution can be used for screw design, calculation of the maximum flow rate, the evaluation of the optimum angle, etc. The results of the study of non-Newtonian fluid showed that the flow rate at low screw angles for non -Newtonian fluids was higher than the Newtonian cases and at high angles, were smaller.