Численный анализ процессов тепломассопереноса полимеров в винтовом канале экструдера с учетом теплопроводности шнека
Автор: Субботин Евгений Владимирович, Щербинин Алексей Григорьевич, Труфанова Наталия Михайловна
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 3 т.8, 2015 года.
Бесплатный доступ
Предложена пространственная математическая модель процессов тепломассопереноса нелинейно-вязких полимерных сред в условиях фазового перехода в винтовом канале экструдера с учетом теплопроводности шнека. При решении задачи винтовой канал разворачивается на плоскость, используется принцип обращенного движения и осуществляется переход от физических переменных (компонент скорости и давления) к безразмерным переменным (функции тока и вихрю). Граничные условия для продольной компоненты скорости, функции тока и вихря задаются исходя из условия прилипания жидкости к твердым непроницаемым стенкам. При этом значение вихря на границе вычисляется по формуле Вудса второго порядка точности. Теплофизические характеристики полимерного материала являются непрерывной функцией температуры. Скрытая теплота фазовых переходов учитывается через температурную зависимость теплоемкости. Связь эффективной вязкости расплава полимера со скоростью сдвига описывается степенным законом, а c температурой - уравнением Рейнольдса. Полученная система дифференциальных уравнений решается методом конечных разностей по многоуровневому алгоритму, состоящему из итерационных процедур. Для реализации предложенной математической модели разработан программный комплекс «Universal Screw 12». Проведено численное исследование процессов тепломассопереноса полимера в винтовом канале экструдера с учетом теплопроводности шнека. Построены поля температуры и компонент вектора скорости в поперечном сечении канала, графики изменения средней, минимальной и максимальной температур материала по длине канала, объемное распределение локальных перегревов расплава полимера в канале экструдера. Показано, что при математическом моделировании процессов экструзии полимерных материалов необходимо учитывать теплоперенос в шнеке, что позволяет значительно повысить точность качественного и количественного определения интегральных и дифференциальных характеристик работы экструзионного оборудования.
Экструзия, математическое моделирование, метод конечных разностей, тепломассоперенос полимера, теплообмен в шнеке
Короткий адрес: https://sciup.org/14320777
IDR: 14320777 | DOI: 10.7242/1999-6691/2015.8.28
Список литературы Численный анализ процессов тепломассопереноса полимеров в винтовом канале экструдера с учетом теплопроводности шнека
- Торнер Р.В. Теоретические основы переработки полимеров. -М.: Химия, 1977. -460 с.
- Тадмор З., Гогос К. Теоретические основы переработки полимеров. -М.: Химия, 1984. -632 с.
- Басов Н.И., Брой В. Техника переработки пластмасс. -М.: Химия, 1985. -528 с.
- 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.
- Chung C.I. A new theory for single-screw extrusion//Mod. Plast. -1968. -Vol. 45, no. 13. -P. 178-198.
- 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.
- 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.
- Das M.K., Ghoshdastidar P.S. Quasi two-dimensional and fully two-dimensional computer models of flow and conjugate heat transfer in the metering section of a single-screw plasticating extruder: a comparative study//Proceedings of the Tenth International Heat Transfer Conference, Brighton, UK. -1994. -Vol. 2. -P. 331-336.
- Lin P., Jaluria Y. Conjugate thermal transport in the channel of an extruder for non-newtonian materials//Int. J. Heat Mass Transfer. -1998. -Vol. 41, no. 21. -P. 3239-3253.
- He H., Zhou J. Simulation of cottonseed cake melt flow in metering zone of a single screw extruder//Front. Chem. Eng. China. -2010. -Vol. 4, no. 3. -P. 263-269.
- Ghoshdastidar P.S., Ghai G., Chhabra R.P. Computer simulation of three-dimensional transport during moistened defatted soy flour processing in the metering section of a single-screw extruder//P. I. Mech. Eng. C-J. Mec. -2000. -Vol. 214, no. 2. -P. 335-349.
- Щербинин А.Г., Труфанова Н.М., Янков В.И. Пространственная математическая модель одночервячного пластицирующего экструдера. Сообщение 2. Математическая модель по определению температуры шнека//Пластические массы. -2004. -№ 8. -С. 38-40.
- Роуч П. Вычислительная гидродинамика. -М.: Мир, 1980. -616 с.
- Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: в 2-х т. -М.: Мир, 1990. -Т. 1. -382 с.
- Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: в 2-х т. -М.: Мир, 1990. -Т. 2. -426 с.
- Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов Л.А. Численное моделирование процессов тепло-и массообмена. -М.: Наука, 1984. -288 с.
- Самарский А.А. Теория разностных схем. -М.: Наука, 1989. -616 с.
- Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. -М.: Едиториал УРСС, 2003. -784 с.
- 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.
- Elbirli B., Lindt J.T, Gottgetreu S.R., Baba S.M. Mathematical modeling of melting of polymers in a single-screw extruder//Polym. Eng. Sci. -1984. -Vol. 24, no. 12. -P. 988-999.
- Терлыч А.Е., Щербинин А.Г., Труфанова Н.М. Прибор для определения температуры шнека//Информационные управляющие системы. Сб. науч. тр. -Пермь: ПГТУ, 1998. -С. 156-161.
- Терлыч А.Е., Щербинин А.Г., Труфанова Н.М. Экспериментальное исследование температурных режимов экструзионного оборудования//Информационные управляющие системы. Сб. науч. тр. -Пермь: ПГТУ, 2002. -С. 131-134.
- Пузанов М.В., Субботин Е.В. Численное исследование процессов экструзии полимерных материалов при различных условиях теплообмена на шнеке//Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления. -2014. -№ 10. -С. 20-28.
- Лина В., Чамов А.В. Экструзия полимеров, не поддерживающих горение//Кабели и провода. -2003. -№ 6 (283). -С. 16-20.
