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

“ечени€ полимера через каналы фильеры

≈.ќ. ѕаутова, ј.¬.  азаков

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

÷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. 

¬ 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.

¬ 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€: процесс стационарный, среда несжимаема€, теплофизические характеристики посто€нны, пренебрегаем гравитационными и инерционными силами, на границах канала реализуютс€ услови€ прилипани€.

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

ƒл€ получени€ зависимостей параметров течени€ расплава полимера (давление, скорость, температура) от геометрии фильеры было рассмотрено 5 моделей (рис. 2).

— 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.

а) ObrazecScreenshot_2Screenshot_5

а) Obrazec                  б) Model2                  в) Model3                  г) Model4                  д) Model5

–ис. 2. –ассматриваемые виды геометрии

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.

¬ 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. 3. –аспределение скорости, м/с.

ѕо представленным выше пол€м скоростей, полученных на сечении вдоль модели (рис.3), 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.4) 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_outmod2_temp_outmod3_temp_outmod4_temp_outmod5_temp_out

а) Obrazec                  б) Model2                  в) Model3                  г) Model4                  д) Model5

–ис. 4. –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. Ќапример, Model4 имеет отверсти€ диаметром 1 мм, Model2 – 4 мм, при этом максимальна€ температура на выходе у Model4 на 235 K больше.

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 ^