Кафедра "Конструирование и технологии в электротехнике"

Новости

31.12.2017
Коллектив кафедры поздравляет сотрудников и студентов с Новым 2018 годом!

01.09.2017
Поздравляем сотрудников и студентов с Днем знаний и началом нового учебного года!

Контакты

614061, г. Пермь.
ул. проф. Поздеева, 7.
(Комплекс ПГТУ, Корпус «A»)
Тел(Факс). +7 (342) 239-18-48
Тел. +7 (342) 239-18-50
Тел. +7 (342) 239-18-56
e-mail: ktei@pstu.ru

Alex K® 2013

Течения полимера через каналы фильеры

Е.О. Паутова, А.В. Казаков

Ключевые слова: полупроницаемая преграда, фильера, полимер, математическая модель, температурное поле, кабельная головка

Целью данного исследования является моделирование и анализ режима течения расплава полимера при наличии полупроницаемой преграды (фильеры) в кабельной головке. Такие фильеры зачастую применяются в экструзионном оборудовании для нормализации потоков расплава материала после его непосредственного выхода из шнекового агрегата. Безусловно, наличие подобной преграды скажется не только на перераспределении потоков, но и повлияет на переходное сопротивление адаптера, увеличив перепад давления. Этот факт, несомненно, требует отдельного учета в сложных пространственных математических моделях, описывающих процесс переработки полимерных материалов. 

В ходе работы было рассмотрено несколько моделей с различной геометрией. Были получены и проанализированы поля температур и давлений в зависимости от количества отверстий в фильере при сохранении общей суммарной площади сечений и от изменения диаметра отверстий при сохранении их количества.

В исследуемом процессе течения расплава полимера применяется трехмерная модель. В качестве системы координат выбрана декартова. Граничными условиями будут служить параметры на границе контакта полимер-фильера. Геометрия исходной модели представлена на рис. 1.

FullSizeRender (1)FullSizeRender (2)

Рис. 1. Исследуемая геометрия фильеры

С целью упрощения модели вводим следующие допущения: процесс стационарный, среда несжимаемая, теплофизические характеристики постоянны, пренебрегаем гравитационными и инерционными силами, на границах канала реализуются условия прилипания.

Математическая модель процесса тепломассопереноса формулируется на основе законов сохранения массы, количества движения и энергии, реологических уравнений состояния. 

Для получения зависимостей параметров течения расплава полимера (давление, скорость, температура) от геометрии фильеры было рассмотрено 5 моделей (рис. 2).

С целью упрощения разбиения рассматриваемой модели на сетку конечных элементов цилиндрические отверстия были заменены на прямоугольные с сохранением площади поперечного сечения. Также для ускорения процесса расчёта ввиду симметричности геометрии было принято решение обсчитывать одну шестую модели.

а) ObrazecScreenshot_2Screenshot_5

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

Рис. 2. Рассматриваемые виды геометрии

Для разбиения моделей на конечные элементы использовался программный продукт ICEM CFD из пакета ANSYS. Разбивались модели на восьмиузловые элементы. Количество элементов в каждой модели в виду значительной разницы геометрии было неодинаковым, в среднем составило 433 тыс. элементов.

В результате численного решения моделей были получены поля температур, скорости и давления, по которым можно проанализировать зависимость параметров расплава от особенностей геометрии.

obr_vel_sim

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

Рис. 3. Распределение скорости, м/с.

По представленным выше полям скоростей, полученных на сечении вдоль модели (рис.3), можно наблюдать увеличение скорости в узких участках отверстий фильеры. Это в свою очередь вызывает повышение трения в указанных участках, вследствие чего значительно возрастает температура.

По мере продвижения материала по каналу фильеры происходит его разогрев посредством подводимого тепла, а также за счёт тепла, выделяемого в результате трения. Наибольшая температура наблюдается в зонах, расположенных после слияния отдельных канальцев сетки. Перегревы вызываются диссипативными источниками, возникающими в полимере при контакте потоков с различными скоростями.

Полученные температурные зависимости (рис.4) позволяют заметить, что на выходе из кабельной головки появляется сложная картина температурного поля, обусловленная диссипативными перегревами при переходе через сужения (патрубки).

obr_temp_outmod2_temp_outmod3_temp_outmod4_temp_outmod5_temp_out

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

Рис. 4. Распределение температуры, К

При уменьшении диаметра патрубка c сохранением их количества уменьшается суммарная площадь поперечного сечения, что в свою очередь приводит к росту скорости. От скорости зависит диссипация, следовательно, диссипативные источники начнут увеличиваться, так как трение неподвижных слоёв о подвижные будет больше. Отсюда можно сделать вывод, что чем меньше будет диаметр отверстия, тем больше возрастёт температура. Например, Model4 имеет отверстия диаметром 1 мм, Model2 – 4 мм, при этом максимальная температура на выходе у Model4 на 235 K больше.

Проделанная работа позволит при решении более сложных задач, например, с использованием всей кабельной головки не учитывать сетку, заменив её некими дополнительными граничными условиями в виде перепада давления и эпюр скоростей, тем самым упростив будущие расчёты.

^ вверх ^