Численный анализ неизотермических процессов течения расплавов полимеров в зоне дозирования экструдера для различных пространственных математических моделей и реологических законов
Автор: Труфанова Наталия Михайловна, Ершов Сергей Викторович
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 2 т.10, 2017 года.
Бесплатный доступ
На сегодняшний день широкое применение в качестве изоляционных материалов находят полимерные композиции на основе полиэтилена и ПВХ. Переработка этих материалов сопряжена с рядом проблем, возникающих при выборе для процесса рациональных технологических режимов. Для минимизации временных и материальных затрат, требующихся определенному режиму, используются методы математического моделирования. Разработанные различные математические модели и анализ на их основе течения и теплообмена в винтовых каналах позволяют оценить как возможность введения упрощающих предположений, так и их влияние на характер течения и параметры рассматриваемого процесса. В данной работе речь идет о воздействии на полимерные материалы экструзионного оборудования. Предлагается трехмерная модель процессов течения и теплопереноса в зоне дозирования имеющего винтовой канал пластицирующего экструдера с учетом зазора над гребнем шнека. С ее помощью осуществляется численное исследование течения расплава полимера в этом зазоре. Опробованы пространственные математические модели с различной геометрией канала: прямоугольным, развернутым на плоскость; винтовым, максимально приближенным к реально применяемому. Изучено связь допущения об обращенном движении шнека с характером течения расплава полимера для протестированных моделей тепломассопереноса. Выявлены закономерности влияния зазора между гребнем шнека и внутренней поверхностью корпуса на распределение температуры в канале. Получены экспериментальные зависимости вязкости от скорости сдвига для полимерных изоляционных композиций и вычислены значения эмпирических коэффициентов для трех реологических законов: степенного, согласно моделям Керри и Кросса. Для этих законов проведено сопоставление результатов расчета течения расплава полимера в условиях сложного сдвига в винтовом канале экструдера при различных геометриях канала. Представлены значения максимальных и средних температур на выходе из канала. Для сравнения приводятся результаты других авторов.
Реологические модели, экструзия, зона дозирования, тепломассоперенос, метод конечных элементов, математическая модель
Короткий адрес: https://sciup.org/14320842
IDR: 14320842 | DOI: 10.7242/1999-6691/2017.10.2.13
Список литературы Численный анализ неизотермических процессов течения расплавов полимеров в зоне дозирования экструдера для различных пространственных математических моделей и реологических законов
- Труфанова Н.М., Щербинин А.Г., Янков В.И. Плавление полимеров в экструдерах -М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2009. -336 с.
- Раувендаль К. Экструзия полимеров. -СПб.: Профессия, 2008. -786 с.
- Altinkaynak A., Gupta М., Spalding М.A., Crabtree S.L. Melting in a single screw extruder: Experiments and 3D finite element simulations//Int. Polym. Proc. -2011. -Vol. 26, no. 2. -P. 182-196.
- Rauwendaal C. Finite element studies of flow and temperature evolution in single screw extruders//Plast. Rubber. Compos. -2004. -Vol. 33, no. 9-10. -P. 390-369.
- Fenner R.T. Developments in the analysis of steady screw extrusion of Polymers//Polymer. -1977. -Vol. 18, no. 6. -P. 617-635.
- Jaluria Y. Heat and mass transfer in the extrusion of non-Newtonian materials//Advances in Heat Transfer. -1996. -Vol. 28. -P. 145-230.
- Wtjzer I.I., Jankov W.I. Isotermes flieben einer Viscosen Flussigkeit in den Kanalen konischer Schnecken//Plaste und Kautschuk. -1979. -Vol. 26, no. 6. -P. 326-328.
- Вопросы экструзии термопластов/Под ред. А.Н. Левина. -М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. -332 с.
- Торнер Р.В., Гудкова Л.Ф., Николаев И.К. Прямолинейно-параллельное установившееся движение аномально-вязкой жидкости между двумя параллельными стенками//Механика полимеров. -1965. -T. 1, № 6. -С. 138-145.
- Торнер Р.В., Гудкова Л.Ф. Объемный расход в плоском сходящемся вынужденном потоке несжимаемой аномально-вязкой жидкости//Механика полимеров. -1966. -T. 2, № 1. -С. 116-122.
- Труфанова Н.М. Переработка полимеров: Учебн. пособие. -Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. -159 с.
- Торнер Р.В. Теоретические основы переработки полимеров. -М.: Химия, 1977. -460 с.
- Петров И.А., Славнов Е.В. Моделирование течения в шнеке с радиальным зазором как системы с распределенной обратной связью, описываемой дифференциальным уравнением с запаздывающим аргументом//Вычисл. мех. сплош. сред. -2012. -Т. 5, № 1. -С. 107-113.
- Петров И.А., Славнов Е.В. Модель утечек через радиальные зазоры в одношнековом экструдере со слабо линейно изменяющейся по длине геометрией шнека//Вычисл. мех. сплош. сред. -2012. -Т. 5, № 4. -С. 461-468.
- Янков В.И., Труфанова Н.М., Щербинин А.Г. Исследование течения полимерных жидкостей в винтовых уплотнениях//Химическое и нефтегазовое машиностроение. -2005. -№ 6. -С. 6-9.
- Субботин Е.В., Щербинин А.Г., Труфанова Н.М. Численный анализ процессов тепломассопереноса полимеров в винтовом канале экструдера с учетом теплопроводности шнека//Вычисл. мех. сплош. сред. -2015. -Т. 8, № 3. -С. 329-339.
- Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012660591, РФ. Программный комплекс по расчету процессов тепломассопереноса полимерных материалов в каналах одношнековых экструдеров («Universal Screw 12»)/Субботин Е.В., Щербинин А.Г.; правообладатель ФГБОУ ВПО «ПНИПУ». -№ 2012618748 Заявл. 16.10.2012; опубл. 23.11.2012.
- Янков В.И., Первадчук В.П., Боярченко В.И. Процессы переработки волокнообразующих полимеров (методы расчета). -М.: Химия, 1989. -320 с.
- Виноградов Г.В., Малкин А.Я. Реология полимеров. -М.: Химия, 1977. -440 с.
- Малкин А.Я., Исаев А.И. Реология: концепции, методы, приложения. -СПб.: Профессия, 2007. -560с.
- Carreau P.J. Rheological equations from molecular network theories//J. Rheol. -1972. -Vol. 16, no. 1. -P. 99.
- Syrjälä S. On the analysis of fluid flow and heat transfer in the melt conveying section of a single-screw extruder//Numer. Heat Tr. A-Appl. -1999. -Vol. 35, no. 1. -P. 25-47.
