О динамических особенностях вязкого течения полимеров при равноканальном многоугловом прессовании через штамп с подвижной стенкой

Процессы равноканального многоуглового прессования находят применение во многих областях физики твердого тела и материаловедения. Динамика равноканального многоуглового прессования зависит от реологии деформируемых материалов, но недостаточно изучена для вязких течений в штампах с подвижными стенками, что и определяет актуальность исследования. В настоящей работе выполнено феноменологическое описание технологических процессов равноканального многоуглового прессования, основанное на численном математическом моделировании вязких течений физических моделей полимерных материалов через двухповоротный сегаловский штамп с подвижной стенкой. Построена численная конечно-разностная модель плоского вязкого ньютоновского течения несжимаемой сплошной среды в многоугловой области с подвижной входной стенкой штампа, основанная на постановке и численном решении краевой задачи для уравнений Навье-Стокса в форме уравнения переноса вихря. Численное интегрирование уравнения переноса вихря реализуется на основании конечно-разностного подхода в соответствии с методом перемежающихся направлений. Учет наличия подвижной входной стенки многоуглового штампа, движущейся параллельно направлению экструзии, обеспечивается заданием соответствующего граничного условия для функции вихря, записанной для узлов, относящихся к подвижной стенке штампа. Предложенная конечно-разностная форма граничного условия содержит безразмерную скорость подвижной входной стенки штампа. Численные решения краевой задачи показывают, что наличие подвижной входной стенки штампа, задающей переносное движение в системе, оказывает существенное влияние на характер вязкого течения материала в окрестности подвижной стенки. Установлено, что в случае когда подвижная стенка движется навстречу вязкому потоку, ближайшая к подвижной стенке линия тока «ускоряется» по сравнению со случаем неподвижной стенки. Гидродинамически наблюдаемый эффект объясняется тем, что расход вязкого потока остаётся неизменным, поскольку средняя скорость угловой экструзии одна и та же. Прилегающий к подвижной стенке слой вязкого материала движется со скоростью, примерно равной скорости стенки, навстречу экструдируемому потоку. Поэтому площадь живого сечения потока уменьшается, а значит, скорость потока возрастает. Ротационная трактовка состоит в том, что в прилегающем к движущейся стенке слое вязкого материала образуется отрицательный макроскопический вихрь, сужающий живое сечение вязкого потока. Также проанализирован случай, когда подвижная стенка штампа обгоняет поток. Установлено, что вблизи подвижной стенки штампа, обгоняющей вязкий поток, возникает положительный макроскопический вихрь, т. е. где-то ближе к оси входного канала штампа вязкий поток материала движется назад. Живое сечение прижато к противоположной неподвижной стенке штампа, в окрестности которой скорость вязкого потока при реализации равноканального многоуглового прессования существенно возрастает. В рамках разработанной модели для подвижной входной стенки штампа выполнен учет влияния направления движения подвижной стенки на расчетные поля линий тока, функций вихря и тока, а также поля скоростей вязкого потока. Предложенный гидродинамический подход расширяет представления о характере формирования макроскопической ротации в объеме вязкой физической модели полимерного материала при осуществлении равноканального многоуглового прессования в многоугловом сегаловском штампе с подвижной стенкой.