螺纹元件具有灵活的安装位置、标准化的结构设计、功能的多样性，是螺杆挤出机内使用最多的部件。

本文采用有限元软件，研究了高黏聚合物在常规螺纹元件、开槽螺纹元件和啮合块3种螺纹元件中的流场特征，分析了不同流体参数对3种螺纹元件混合性能的影响。

为了便于计算，模拟工况简化如下：

1）混合过程中聚合物熔体的密度保持不变；

2）忽略熔体的湍流流动，仅考虑层流流动；

3）忽略重力、惯性力等体积力；

4）熔体在流道中是完全充满的状态。

有限元模型：利用前处理软件分别对流场和螺纹元件进行网格划分，如图2和图3所示。

聚合物流场边界条件：流场出入口均为自然流动状态（fn=fs=0），左右螺杆转速均为300r/min，机筒内表面无相对运动。

01螺纹元件的流场压力

由图4可以看出：

沿双螺杆挤出机旋转方向，靠近流场出口一侧压力较大，整个流场最高压力位于螺纹元件与螺纹元件的啮合区域；由于聚合物为非牛顿幂律流体，随着螺棱的推进作用，熔体压力会突然变大，离开螺棱后压力逐渐降低，总体趋势是：从入口到出口，压力逐渐递增，这是因为在挤压过程中，熔体在螺棱处受到较大推进力，离开螺棱时挤压力降低，但流场压力随熔体不断混合、压实而逐渐升高。

另外，3种螺纹元件流场的出口压力均大于入口，且压力梯度变化较明显，说明3种螺纹元件均具有建压能力。B型外壁面设计8个螺旋均布的沟槽，导致物料在通过内部腔体时出现明显的漏流和混流现象。因此，B型压力场变化较小，速度场变化较大，局部剪切速率变化较小。

流场峰值压力：A型>B型>C型。

02螺纹元件局部剪切速率

由图6和图7可以看出：

高剪切应力主要集中在2个螺纹元件的啮合区及螺纹元件与筒体内壁之间。

沿挤出方向，A型局部剪切速率峰值最大，B型次之，C型最小。

03螺纹元件平面的熔体速度

由图8和图9可以看出：

3种螺纹元件在靠近螺棱的速度均相对较大，且在啮合区域熔体速度均会突然增大。在靠近筒体中心位置，熔体有明显的回流现象，有利于熔体充分混合。

熔体速度性能：A型>B型>C型。

04流变参数对混合性能的影响

选取典型的A型，分析不同流变参数对混合性能的影响。图10为A型模型取样点，其中，箭头为挤出方向，A点和B点为取样点。图11为A型的参数分析。

由图11(a)可以看出：局部剪切速率随螺棱及螺棱支撑面的位置而不断变化，接近螺棱处时急剧増大，整个流场区域的入口和出口处局部剪切速率最小。第一个螺棱支撑面处的局部剪切速率超过2 750 s-1，沟槽位置（轴向位置为3 cm）局部剪切速率值最小，趋于0。

由图11(b)可以看出：当螺杆将物料输送至入口一侧时，熔体速度较小，随着混合程度的进行，熔体速度缓慢增大，在第一个螺棱处(z=0.015 m)超过0.12 m/s，通过第一个螺棱后又迅速下降，这是因为物料在双螺杆挤出机内部不断螺旋输送前进，物料受到两螺杆之间的摩擦力，熔体速度迅速降低，当其趋于0时，基本保持稳定。当物料到达第二个螺棱(z=0.05m)时，熔体速度迅速升至0.17 m/s，然后又迅速下降，并趋于稳定。

如图11（c）所示：挤出过程中压力变化特性上述已描述，压力的变化趋势与局部剪切速率和熔体速度的变化相近，即三者呈正相关，即压力增大时，剪切速率和熔体速度均呈现增大的趋势。

剪切应力随剪切速率增加而增大，而黏度却与前两者成反比。由图11(d)可以看出：剪切速率的变化趋势与黏度的变化趋势相反，当剪切速率减小时，黏度分布处于增大趋势，反之亦然。

试验验证

图12为PP熔体在3种螺纹元件中的流动状态，其中，螺杆转速为300 r/min。由图12可以看出：PP熔体在3种螺纹元件中均实现平推流，且筒体内壁及螺纹元件上基本没有大块物料附着，说明3种螺纹元件均具有较好的自清洁性能，表现出较好的混合效果和剪切效果。A型的剪切能力最好，B型次之，C型最弱。

在试验初期，设计的螺杆组合只包含螺纹元件和啮合块，但整个反应的混合性较好，熔体在筒体内部的充满度较高，但返混能力弱。

后期通过模拟分析，对螺纹元件位置进行调整，在啮合块靠近喂料端一侧增加了开槽螺纹元件，整个流场的返混能力得到改善。

同时，开槽螺纹元件建压能力和输送能力弱，物料在内部流场的充满度高，停留时间会延长。试验验证结果与仿真模拟结果具有较高的一致性。此外，螺杆长径比由52∶1缩小为44∶1。