Исследование равномерности наложения изоляции из высоковязких полимерных материалов

Казаков А.В., Бородулина К.В.

Ключевые слова: течение полимерных материалов, высоковязкие материалы, численный анализ, каналы кабельной головки, трехмерная постановка задачи

В данной работе рассмотрена математическая модель процессов тепломассопереноса внутри канала кабельной головки. В процессе выполнения исследования были построены различные варианты моделей геометрии канала кабельной головки, и рассмотрено их влияние на скорость и температуру материала на выходе из канала. В результате работы была создана математическая модель, описывающая течение полимера с высокой вязкостью в канале кабельной головки.

В качестве объекта исследования рассматривается трехмерное течение в канале кабельной головки. Предметом исследования является изменение картины теплового поля в зависимости и скорости в зависимости от геометрических размеров кабельной головки.

Цель исследования – исследование зависимости течения высоковязких полимерных материалов от геометрии канала с применением метода численного моделирования.

В данном направлении проводится множество исследований, как в России, так и за рубежом.

Рис. 1. Рассматриваемые варианты геометрии

Было рассмотрено 4 различные модели, которые представлены на рисунке 1. Модели были получены путем изменения исходной модели (а): модель (б) – увеличением толщины стенки канала в два раза от исходной; модель (в) – изменением угла подачи материала от 90° до 135°; модель (г) – отсечением входного патрубка.

Были сделаны следующие допущения: процесс стационарный; теплофизические параметры постоянны; гравитационные силы не учитываются; упругие свойства не учитываются; вытяжка полимера за пределы кабельной головки не учитывается; цилиндрическая форма адаптера была заменена на прямоугольную эквивалентного сечения.

Сравним сечения поверхностных диаграмм во всех моделях геометрии, в которых наблюдается наибольшая неравномерность распределения температуры и скорости при фиксированном радиусе. Построим соответствующие диаграммы распределения скорости и температуры по сечениям, которые представлены на рисунках ниже.

На рис. 2 величина коэффициента при квадрате (а) показывает, на сколько линия отличается от прямой (чем он больше, тем линия сильнее отличается от прямой). 

Рис. 2. Распределение температуры (1) и скорости (2) по сечениям

В результате проведенного исследования можно заключить, что модель канала, представленного на рис. 1а, имеет наибольшие коэффициенты неравномерности распределения температуры (a=6,18·10^-4, b= 1,17·10 ^-1) следовательно, распределение температуры в данной модели наиболее неравномерно.

По данным исследования видно, что модель канала, представленного на рисунке 1е, показывает наибольшие коэффициенты неравномерности распределения скорости (a=4,957·10^-6, b=1,066·10^-3), следовательно, распределение скорости в данной модели наиболее неравномерно.

Кроме этого для оценки неравномерности распределения скорости и температуры материала на выходе из канала, ввели дополнительный коэффициент, показывающий процентное соотношение минимального и максимального значения температуры и скорости при рассматриваемом радиусе канала ( и ). Он высчитывался по абсолютному значению отношения максимального значения показателя к минимальному.

Наиболее неравномерное распределение температуры материала на выходе из канала показывает модель рис. 1в, а по скорости – модель рис. 1б.

Если рассматривать параметры k_T, k_υ, a, b совместно, то можно сделать вывод, что модель канала канала с упрощенной геометрией (рис.1г) дает наиболее равномерное распределение как температуры, так и скорости; а модель канала с измененным углом подачи материала (рис.1в) дает наименее равномерные распределения.

Анализ расчетных данных показал степень влияния сложной геометрии каналов истечения высоковязких полимерных материалов на распределение потоков. Геометрические параметры канала кабельной головки влияют на характер течения полимерного материала.

Полученные результаты позволяют не только оценить возможность переработки таких материалов, как фторопласт, но и оценить равномерность наложения (а, следовательно, и качество) готового покрытия численным критерием.