Численное моделирование течения упруговязких жидкостей во входном канале формующей головки экструдера
Леонов А. И. Малкин А.Я. Об эффекте нормальных напряжений в установившихся одномерных течениях расплавов полимеров.// Изв. АН СССР. сер.: Мех. жидкости и газа.- 1968, — 1 3. с. 184−189. Радушкевич Б. В., Фихман В. Д., Виноградов F.B. Вязкостные и релаксационные свойства полимеров в процессе растяжения.// В кн.: Успехи реологии полимеров. М.: Химия.- 1970, — с. 24−39. Реологические свойства… Читать ещё >
Содержание
- 4. 4. ВЫВОДЫ
4. Представлена зависимость размеров вихревой области в углах насадки от вязкоупругих свойств протекающей жидкости. С увеличением максвелловского времени релаксации напряжения вихревая зона увеличивается и существенно превосходит по своим размерам вихревую зону для ньютоновской жидкости. Дополнительный рост вихревой области связан с присутствием «упругой» составляющей в тензоре напряжений.
5. Получена зависимость интенсивности вихря от вязкоупругих свойств жидкости для разной геометрии канала. Получено, что сглаживание почти на порядок уменьшает интенсивность циркуляции в вихревой области. При этом размеры этой области мало зависят от наличия сглаживания. Это может свидетельствовать о том, что применение сглаживания входного участка насадки приводит к образованию застойной зоны вблизи места
102 сужения. В тоже время отсутствие сглаживания приводит к зарождению вихревой зоны с интенсивной циркуляцией. В этом смысле использование сглаживания на входном участке формообразующей насадки существенным образом влияет на структуру течения упруговязкой жидкости.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Цель переработки полимеров — производство и получение качественной продукции. При производстве синтетических волокон и автокамер часто наблюдаются искажения поверхности экструдата называемые «разрушением» расплава или явлением эластичной турбулентности. Ужесточение требований к качеству выпускаемой продукции, приводит к необходимости учета циркуляционных течений, ответственных за появление неоднородностей и микровключений в экструдате и возникновение искажений на ее свободной поверхности.
В настоящее время отмечается повышенный интерес к исследованиям сходящихся течений жидкостей, обладающих неньютоновскими свойствами. Это проявляется в первую очередь в том, что количество публикаций по этой проблеме не уменьшается и связывается не только широкими возможностями
приложения в современной химической технологии и шинной промышленности, но и многими нерешенными проблемами теоретического характера. До сих пор физическая трактовка влияния неныотоновских эффектов на образования и роста циркуляционных зон вызывает сомнения. Тем не менее, большинство ученых и специалистов пришло к единому мнению о существенном влиянии реологических свойств расплава на вихреобразование и на распространение и усиление возмущений в потоке расплава и, соответственно, на устойчивость экструдата. Теоретические и экспериментальные результаты, связанные с исследованием сходящихся течений упруговязких жидкостей и учитывающие наличие сингулярных точек, вызывает огромный интерес среди ученых и специалистов в области химической технологии и шинной промышленности.
Течения неньютоновских жидкостей в окрестности резкого сужения довольно сложный процесс. Здесь накладываются аномальные эффекты, характерные для течений неньютоновских систем, релаксационные эффекты и невискозиметричность течения в окрестности угловой точки. Например, аномалия вязкости конкурирует с ее температурной зависимостью, учет проскальзывания жидкости на стенке формующей головки существенно изменяет структуру течения. Кроме того, образующиеся циркуляционные течения, являются вредными для многих технологических процессов.
В этих условиях практическое освоение новых технологий и модернизация существующих потребовало детального изучения циркуляционных течений упруговязких жидкостей в различных каналах с учетом особенностей, накладываемых неньютоновскими свойствами жидкостей.
Вышеизложенные соображения и многочисленные дискуссии со специалистами в области химического машиностроения и химической технологии привели к постановке следующих проблем: 1) выбор реологической модели адекватно описывающей упруго вязкое поведение расплава полимера при протекании через каналы со ступенчатым профилем- 2 Моделирование сходящихся течений у пру го вяз кой жидкости в зависимости от формы сужения.
В результате проведенного теоретического исследования изучено влияние числа Деборы Ве = Я/-, характеризующего упругие свойства полимерной жидкости, на форму и размеры циркуляционных течений, образующихся в угловых зонах формующей насадки экструдера. А также влияние области вокруг угловой точки на интенсивность вихревого движения. При этом поставлена и численно, методом контрольного объема, решена соответствующая математическая задача, проведено сравнение теоретических и существующих экспериментальных результатов. Установлено, что форма и размеры вихревой области существенно зависят от упругих свойств жидкости. Размеры вихревой области растут с ростом числа Деборы при постоянном расходе. Сглаживание угловой точки несколько уменьшают размеры вихревой области, при этом почти на порядок уменьшается интенсивность циркуляции в вихревой области, что соответствует образованию так называемых «мертвых» зон с наружной части сходящегося потока. Можно отметить также, что вне сходящегося потока полимерные цепочки оказываются менее ориентированными, чем внутри потока. Поэтому любой срыв вихревых потоков в основное течение будет приводить к нарушению однородности физических и механических свойств изделий, что является нежелательным явлением при производстве многих ответственных продуктов.
Полученные результаты позволяют с новых позиций подойти к пониманию процессов происходящих при экструзии полимерных жидкостей. Эти результаты носят общий характер и могут быть использованы в различных областях науки и техники, где используется движение в сужающих устройствах. Полученные результаты позволяют обобщить и систематизировать сведения по причинам образования явления «разрушения» расплава и разработать рекомендации по его предотвращению.
Полученные результаты и их анализ позволили сформулировать следующие рекомендации по борьбе с вихреобразованием во входном участке формующей головки экструдера:
— входной участок формующей головки, по возможности должен иметь форму, исключающую вихреобразование. Граница циркуляционного течения в углах насадки, является естественным входным профилем. Использование естественного входного профиля позволило бы полностью исключить негативный эффект вихревых зон на качество получаемых продуктов. Любое отклонение от естественного входного профиля неизбежно приведет к появлению вихревых или застойных зон и, соответственно, отразится на качестве получаемого конечного продукта-
— в случае невозможности использования естественного входного профиля, необходимо сглаживать кромку сужения.
В принципе, процесс экструзии является неизотермическим процессом. Поэтому необходимо либо учитывать зависимость свойств жидкости от температуры, либо оценивать влияние этой зависимости на получающиеся решения. Существующие опубликованные результаты, полученные различными авторами независимо друг от друга, убедительно показывают, что в данном случае, с учетом аномалии вязкости полимерной жидкости, зависимостью вязкости жидкости от температуры можно пренебречь. Поэтому при моделировании течения неньютоновской жидкости задача ставилась как условно изотермическая. Для решения задачи был использован модифицированный алгоритм SIMPLER. Для повышения численной устойчивости использован метод, позволяющий получать сходящееся решение. Для этого использовался метод расщепления напряжений на вязкую и вязкоупругую части. Для достижения численной сходимости использовался метод линеаризации источникового члена, позволяющий на первых итерационных циклах существенно понизить градиенты напряжений и давления, возникающие на входном участке насадки экструдера.
Таким образом, в результате проведенных исследований изучено течение упруговязких жидкостей во входном участке формующей головки экструдера, что позволяет по новому взглянуть на многие процессы происходящие в аппаратах химической технологии.
Полученные результаты численного моделирования исследуемых процессов согласуются с доступными на данный момент времени экспериментальными данными и данными численных экспериментов других авторов.
Результаты исследований использованы на ОАО Нижнекамскшина при модернизации формующих головок экструдеров для производства изделий для шинной промышленности.