афедра " онструирование и технологии в электротехнике"

Ќовости

31.12.2017
 оллектив кафедры поздравл€ет сотрудников и студентов с Ќовым 2018 годом!

01.09.2017
ѕоздравл€ем сотрудников и студентов с ƒнем знаний и началом нового учебного года!

 онтакты

614061, г. ѕермь.
ул. проф. ѕоздеева, 7.
( омплекс ѕ√“”,  орпус ЂAї)
“ел(‘акс). +7 (342) 239-18-48
“ел. +7 (342) 239-18-50
“ел. +7 (342) 239-18-56
e-mail: ktei@pstu.ru

Alex KЃ 2013

»сследование стационарного режима течени€ полимера через фильеру в кабельной головке

≈.ќ. ѕаутова, ј.¬.  азаков

 лючевые слова: полупроницаема€ преграда, фильера, полимер, математическа€ модель, температурное поле, кабельна€ головка

Ќаложение полимерной изол€ции – сложный технологический процесс, к которому предъ€вл€ютс€ повышенные критерии качества, завис€щие от множества технологических параметров. ќпределение этих параметров экспериментальным путЄм требует существенных материальных и ресурсных затрат, а также длительного промежутка времени, что не всегда оказываетс€ экономически выгодным и целесообразным на действующем производстве. ¬ таком случае действенной альтернативой может стать применение новейших средств компьютерного инженерного моделировани€. ѕри корректной реализации и грамотном обосновании такой подход позволит не только значительно сократить вышеупом€нутые затраты, но и провести исследовани€ и измерени€, принципиально невозможные в реальных услови€х.

÷елью данного исследовани€ €вл€етс€ моделирование и анализ режима течени€ расплава полимера при наличии полупроницаемой преграды (фильеры) в кабельной головке. “акие фильеры зачастую примен€ютс€ в экструзионном оборудовании дл€ нормализации потоков расплава материала после его непосредственного выхода из шнекового агрегата. Ѕезусловно, наличие подобной преграды скажетс€ не только на перераспределении потоков, но и повли€ет на переходное сопротивление адаптера, увеличив перепад давлени€. Ётот факт, несомненно, требует отдельного учета в сложных пространственных математических модел€х, описывающих процесс переработки полимерных материалов. ѕоэтому, чтобы оценить степень вносимого фильерой эффекта, было задумано данное исследование.

¬ ходе работы было рассмотрено несколько моделей с различной геометрией. Ѕыли получены и проанализированы пол€ температур и давлений в зависимости от количества отверстий в фильере при сохранении общей суммарной площади сечений и от изменени€ диаметра отверстий при сохранении их количества.

Research stationary regime of the polymer flow through a die

Imposition of polymeric insulation - a complex process, which are increased quality criteria, depending on a variety of process parameters. Determination of these parameters experimentally requires significant financial and resource costs, as well as a long period of time, it is not always cost-effective and appropriate to the current production. In this case, a viable alternative may be the use of the latest tools of computer engineering simulation. The proper implementation and proper justification of such an approach will not only significantly reduce the cost of the above, but also to carry out studies and measurements, fundamentally impossible in the real world.

The aim of this study is to simulate and analyze the mode of the polymer melt in the presence of a semi-permeable barrier (die) in the cable head. Such spinnerets are often used in the extrusion equipment for the normalization of the melt material flows after exiting the direct screw assembly. Of course, the existence of such barriers affect not only the redistribution of the flows, but also affect the transition adapter resistance, increasing the pressure drop. This fact, of course, requires a separate account in the complex three-dimensional mathematical models describing the process of the processing of polymeric materials. Therefore, to assess the degree of insertion die effect, this study was designed.

The work was discussed several models with different geometries. We were obtained and analyzed temperature and pressure fields depending on the number of holes in the die while maintaining the total combined cross-sectional areas of the holes and the diameter changes while maintaining their quantity.

Keywords : semi-permeable barrier, die, polymer, mathematical model, temperature field, cable die.

¬ исследуемом процессе течени€ расплава полимера примен€етс€ трехмерна€ модель. ¬ качестве системы координат выбрана декартова. √раничными услови€ми будут служить параметры на границе контакта полимер-фильера. √еометри€ исходной модели представлена на рис. 1.

FullSizeRender (1) FullSizeRender (2)

–ис. 1. »сследуема€ геометри€ фильеры

— целью упрощени€ модели вводим следующие допущени€:

1) ѕроцесс стационарный;

2) —реда несжимаема€, без упругих свойств;

3) “еплофизические характеристики посто€нны;

4) ѕренебрегаем гравитационными и инерционными силами;

5) Ќа границах канала реализуютс€ услови€ прилипани€.

ћатематическа€ модель процесса тепломассопереноса формулируетс€ на основе законов сохранени€ массы, количества движени€ и энергии, реологических уравнений состо€ни€. 

ƒл€ решени€ системы еЄ необходимо дополнить следующими граничными услови€ми:

1) Ќа неподвижных стенках компоненты скорости равны нулю;

2) Ќа входе в канал задаЄтс€ расход и температура расплава 433  ;

3) Ќа выходе задаютс€ граничные услови€ второго рода по скорости и температуре;

4) Ќа границе симметрии задаютс€ граничные услови€ второго рода по температуре.

Screenshot_6 Screenshot_6-3

–ис. 2. √раничные услови€

ƒл€ получени€ зависимостей параметров течени€ расплава полимера (давление, скорость, температура) от геометрии фильеры было рассмотрено 5 моделей (рис. 3).

— целью упрощени€ разбиени€ рассматриваемой модели на сетку конечных элементов цилиндрические отверсти€ были заменены на пр€моугольные с сохранением площади поперечного сечени€. “акже дл€ ускорени€ процесса расчЄта ввиду симметричности геометрии было прин€то решение обсчитывать одну шестую модели.

Screenshot_6 Screenshot_2

а) Obrazec б) Model2

Screenshot_5

в) Model3 г) Model4 д) Model5

–ис. 3. –ассматриваемые виды геометрии

Obrazec - количество отверстий: n=14, диаметр одного отверсти€ d=3 мм, суммарна€ площадь сечений S=37,2 мм2;

Model2- n=3, d=4мм, S=37,2 мм2;

Model3- n=14, d=2мм, S=43,9 мм2;

Model4- n=14, d=1мм, S=10,5 мм2;

Model5- n=14, d=3,5мм, S=134,7 мм2.

ƒл€ разбиени€ моделей на конечные элементы использовалс€ программный продукт ICEM CFD из пакета ANSYS. –азбивались модели на восьмиузловые элементы.  оличество элементов в каждой модели в виду значительной разницы геометрии было неодинаковым, в среднем составило 433 тыс. элементов.

¬ качестве материала был выбран полиэтилен.

¬ результате численного решени€ моделей были получены пол€ температур, скорости и давлени€, по которым можно проанализировать зависимость параметров расплава от особенностей геометрии.

obr_vel_sim

а) Obrazec б) Model2 в) Model3

г) Model4 д) Model5

–ис. 4. –аспределение скорости, м/с.

ѕо представленным выше пол€м скоростей, полученных на сечении вдоль модели (рис.4), можно наблюдать увеличение скорости в узких участках отверстий фильеры. Ёто в свою очередь вызывает повышение трени€ в указанных участках, вследствие чего значительно возрастает температура.

ѕо мере продвижени€ материала по каналу фильеры происходит его разогрев посредством подводимого тепла, а также за счЄт тепла, выдел€емого в результате трени€. Ќаибольша€ температура наблюдаетс€ в зонах, расположенных после сли€ни€ отдельных канальцев сетки. ѕерегревы вызываютс€ диссипативными источниками, возникающими в полимере при контакте потоков с различными скорост€ми.

ѕолученные температурные зависимости (рис.5) позвол€ют заметить, что на выходе из кабельной головки по€вл€етс€ сложна€ картина температурного пол€, обусловленна€ диссипативными перегревами при переходе через сужени€ (патрубки).

obr_temp_out mod2_temp_out mod3_temp_out

а) Obrazec б) Model2 в) Model3

mod4_temp_out mod5_temp_out

г) Model4 д) Model5

–ис. 5. –аспределение температуры,  

ѕри уменьшении диаметра патрубка c сохранением их количества уменьшаетс€ суммарна€ площадь поперечного сечени€, что в свою очередь приводит к росту скорости. ќт скорости зависит диссипаци€, следовательно, диссипативные источники начнут увеличиватьс€, так как трение неподвижных слоЄв о подвижные будет больше. ќтсюда можно сделать вывод, что чем меньше будет диаметр отверсти€, тем больше возрастЄт температура (рис. 6.). Ќапример, Model4 имеет отверсти€ диаметром 1 мм, Model2 – 4 мм, при этом максимальна€ температура на выходе у Model4 на 235 K больше.

–ис. 6. «ависимость средней температуры на выходе от диаметра отверсти€

ѕри уменьшении диаметра отдельного патрубка дл€ соблюдени€ режима заданного расхода в€зкого материала необходимо увеличение перепада давлени€. Ёту особенность можно наблюдать на графике зависимости перепада давлени€ от количества патрубков при сохранении равенства суммарного сечени€ (рис. 7.).

–ис. 7. «ависимость перепада давлени€ на выходе от количества патрубков

¬ ходе работы были смоделировано и проанализировано течение расплава полимера при наличии полупроницаемой преграды в кабельной головке. Ѕыло создано и исследовано п€ть различных геометрий, получены пол€ температур, скорости и давлени€, построены графики зависимости этих параметров от различного вида геометрии.

ѕроделанна€ работа позволит при решении более сложных задач, например, с использованием всей кабельной головки не учитывать сетку, заменив еЄ некими дополнительными граничными услови€ми в виде перепада давлени€ и эпюр скоростей, тем самым упростив будущие расчЄты.

^ вверх ^