Введение к работе
В условиях постоянного развития пищевой, химической и других отраслей промышленности, возникает необходимость в совершенствовании процессов, протекающих в используемых аппаратах, а также в создании высокоэффективного технологического оборудования. Привлечение к этому процессу методов математического моделирования обеспечивает возможность контролирования, прогнозирования и корректировки тех или иных параметров уже на стадии его разработки. Отметим также, что прогнозирование и рациональное построение таких технологических процессов и проектирование соответствующих режимов должно основываться на расчетных и экспериментальных данных, базой которых, являются математические модели, описывающие гидродинамические и тепло-массообменные процессы в данных устройствах.
Представленная работа посвящена математическому моделированию гидродинамики течения и теплообмена растворов и расплавов полимеров, представляемых, как вязкоупругие жидкости, для базовых технологических процессов переработки полимеров. По результатам проведенных исследований предложены практические рекомендации по выбору оптимальных режимов технологического процесса переработки полимерных материалов, повышению производительности оборудования.
Актуальность проблемы. Главным направлением технического прогресса в производстве химических волокон и пленок, является в настоящее время, интенсификация процесса формования и увеличение мощности оборудования. Одной из наиболее ответственных стадий формования волокон является экструзия растворов и расплавов полимеров через отверстия фильер. В шинном производстве на червячных экструдерах проводится переработка и шпринце- вание резиновых смесей. При этом при производстве химических волокон, пленок, автокамер наблюдаются негативные явления в виде искажения поверхности экструдатов и неоднородности физико-механических свойств. Закономерности этого процесса определяются влиянием большого числа параметров: реологических характеристик формовочной среды, режимом течения в отверстии фильеры, температурных режимов процесса формования, размерами и геометрией формующих капилляров, конструкцией фильеры, и т.п.
Анализ современного состояния проблем, связанных с изучением вопросов гидродинамики и тепло-массообмена неньютоновских жидкостей в каналах технологического оборудования показал, что сравнительно мало изученным остается вопрос построения математических моделей, достаточно точно описывающих процессы теплопереноса в данных средах. Экспериментальные исследования ограничиваются визуализацией потока, как правило, с помощью фотографических методов, и не дают никаких данных о внутренних напряжениях, возникающих вблизи сужения. Поэтому, изучение динамики течений в формующих каналах неньютоновских жидкостей с учетом неизотермичности представляет собой не только теоретическим, но и несомненный прикладной интерес. Таким образом, актуальными являются вопросы, связанные с созданием математических моделей, достаточно точно описывающие течение и тепломассоперенос в формующих каналах экструдеров неньютоновских жидкостей. Из технологической практики известно, что стабильность процесса формования и качество получаемого волокна во многом обусловлены конструкцией и качеством изготовления канала фильеры и формовочной насадки, выбором оптимального технологического режима. В соответствии с вышесказанным, актуальность задачи создание фильер оптимальных конструкций, исследование причин, приводящих к неустойчивому течению экструдата все время возрастает.
Большинство растворов и расплавов полимеров проявляют при течении в каналах фильер, обтекании препятствий упругие свойства, поэтому пренебрежение при расчетах вязкоупругими свойствами, в некоторых случаях, может привести к существенным ошибкам при моделировании процессов течения. То в связи с этим, становятся актуальными вопросы, связанные с математическим моделированием стационарных и нестационарных потоков полимерных жидкостей с учетом неизотермичности, эффектов проскальзывания на стенках канала, учетом диссипации механической энергии, вследствие саморазогрева высоковязкой среды, наличием свободных и межфазных границ. Движение тел различной формы связано с вопросами ясного понимания и грамотного толкования эффектов, имеющих отношение к вискозиметрам с падающим грузом, для исследования процессов седиментации при производстве наполненных полимерных систем, реологических исследованиях по измерению вязкости жидкостей и т.п. Подобные исследования возможны только с помощью численных методов, дающих возможность более полного анализа процессов, протекающих в фильерных каналах, при калибровании-охлаждении профильных изделий, оптимизации формы и размеров тел, конструкций экструзионных оборудований.
Исследования носят межотраслевой характер и проведены в соответствии с программой фундаментальных научных исследований государственных академий наук, Президиума РАН и ОЭММПУ РАН: "Моделирование и оптимизация процессов тепломассопереноса в технологических установках "N/01.2.001 01489 на 2002-2005 г., "Моделирование движения неньютоновских сред и дисперсных смесей в технологических установках " NN 01.2.006 06532 на 20062008 г., "Гидродинамика и тепломассообмен в потоках неоднородных жидкостей и многофазных сред с учетом реологических факторов "на 2009-2012г.
Цель работы. Целью работы является совершенствование гидродинамических и тепловых процессов переноса в формующих каналах технологического оборудования на основе математического моделирования, в результате проведенных численных исследований, выработать рекомендации для определения рациональных технологических режимов эксплуатации, повышения производительности.
Для достижения сформулированной цели были поставлены следующие задачи:
-
Разработать математические модели неизотермического течения растворов и расплавов полимеров при формовании изделий из экструзион- ных насадок на основе различных реологических уравнениях состояния неньютоновских сред, описывающих различные типы вязкоупругих жидкостей.
-
Разработка вычислительных алгоритмов и программ для расчета изотермических и неизотермических потоков вязкоупругой жидкости с использованием реологических конститутивных уравнений состояния, базирующихся на феноменологических подходах(Олдройд-Б, Фан-Тьен Танне- ра, Гиезекуса), а также конститутивных соотношений, выведенных с помощью молекулярно-кинетических теорий (FENE-P, модель рептаций) при формовании изделий из полимерных материалов.
-
На основе результатов математического моделирования неизотермического течения неньютоновской жидкости в фильерных каналах экструзи- онных головок и в выходной струе, выявить основные закономерности гидродинамики течения и теплообмена. Определить влияние реологических свойств полимеров, температурных режимов, геометрии фильер- ных насадок на форму выходящей струи, напряженно-деформированное состояние выходного продукта, расходно-напорные характеристики течения.
-
Путем математического моделирования неизотермических течений полимерных сред исследовать причины возникновения механизмов мелкомасштабных искажений поверхности струи: резкое возрастание объемного расхода (срыва потока), вследствие перехода течения с прилипанием к течению с проскальзыванием на стенках канала, образование критических значений касательного напряжения на стенках насадки, приводящих к возникновению периодического проскальзывания жидкости, образование застойных зон в угловых областях формующей головки экструдера.
Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научные результаты :
1. На основе математического моделирования развита теория процессов экструзии неньютоновских полимерных сред в условиях теплообмена,
наличии межфазных границ, внутренней диссипации, позволяющая повысить степень адекватности описания реально протекающих процессов, находить новые технические решения при конструировании оборудования и выбирать необходимые технологические режимы его работы.
-
-
Разработаны вычислительные алгоритмы и программы для численного моделирования плоских и осесимметричных потоков вязкоупругой жидкости с использованием как новых, так и широко апробированных реологических уравнений состояния (модель рептаций, Олдройда-Б, Фан Тьен Таннера) в формовочных каналах экструзионного оборудования в условиях неизотермичности потока со сложными граничными условиями.
-
Изучено влияние основных параметров технологического режима экетру- зии, которые определяются через критерии подобия, геометрических особенностей на гидродинамику и теплообмен вязкоупругой жидкости в формующем канале экструдера, степень воздействия тех или иных факторов на процесс формирования струи на выходе из насадки экструдера. Установлен ряд отличительных закономерностей гидродинамических и тепловых процессов в формующих каналах, экструзии растворов и расплавов полимеров при производстве пленок и волокон.
-
Установлены механизмы и закономерности гидродинамических и тепловых процессов в вязкоупругих течениях при обтекании сложных тел. Показано, что механизмом возникновения немонотонного распределения осевой скорости в следе за препятствием ("отрицательный след"), является взаимодействие аномалии вязкости при увеличении скорости сдвига с образованием первой разности главных напряжений в следе. Выявлено, что увеличение неизотермичности потока и граничные условия проскальзывания на стенках, приводят к усилению обнаруженного неньютоновского эффекта.
Практическая значимость работы. Разработанные в диссертационной работе математические модели процессов течения, теплообмена и выдавливания полимерных материалов из насадок экструзионных машин и формующих инструментов позволяют:
-
проектировать новое оборудование, прогнозировать производительность и эффективность работы разнообразных насадок экструдеров, находить технические решения при его разработке и совершенствовать технологические режимы, сведя к минимуму дорогостоящие натурные испытания;
-
определять области локальных перегревов, что является важным при рассмотрении процессов переработки современных полимерных материалов, обеспечение высоких эксплуатационных характеристик которых, может быть
достигнуто, только при строгом соблюдении заданных температурных режимов;
-
учитывать влияние процессов теплообмена в формующем канале экстру- дера на процессы термической экструзии и управлять ими;
-
разрабатывать системы автоматического управления и регулирования технологическими процессами.
Численные исследования, проведенные автором, расширяют представления о протекающих процессах движения и теплообмена полимерных сред в каналах экструзионного оборудования, выдавливания из формующих насадок в условиях неизотермично сти потока.
Практические рекомендации использованы при совершенствовании технологических режимов работы экструдеров при производстве изделий для шинной промышленности, также результаты нашли применение при исследовании реологических характеристик полимерных систем на ОАО "Нижнекамскшина "г.Нижнекамск, что подтверждено актом внедрения в приложении к диссертационной работе.
Результаты работы могут быть использованы в специализированных НИИ и проектных организациях, занимающихся проектированием и разработкой экструзионного оборудования, а именно: ВЗПМ "Полимер-техника "(г. Владимир), НПО "Полимер Проект"(г. Москва), ООО "Полимерхолодтехника"(г. Нижнекамск), ООО "Пензполимер"(г. Пенза) и др.
Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных результатов диссертации подтверждается использованием общепринятых подходов к моделированию процессов и аппаратов химический технологии, корректностью постановки задач на основе фундаментальных уравнений сохранения, использующих классические уравнения реологического состояния полимерных расплавов, применением для их решения современных методов вычислительной гидродинамики и реологии, а также сравнением полученных данных с известными в научной литературе теоретическими и экспериментальными результатами других авторов.
На защиту выносятся:
Математические модели неизотермического движения вязкоупругих жидкостей в фильерных каналах экструзионного оборудования и истечение из формующих насадок с различной геометрией.
Вычислительный алгоритм и программа расчета изотермических и неизотермических потоков вязкоупругой жидкости на основе различных моделей реологического уравнения состояния, основанная на методе конечных элементов для расчета потоков в деформируемых областях с наличием свободных поверхностей со сложными граничными условиями: возможностью проскальзывания жидкостей на границе раздела сред.
Результаты исследования с помощью вычислительного эксперимента (ВЭ) гидродинамики и теплопереноса при истечении вязкоупругой жидкости из ступенчатой резко сужающейся насадки: влияние длины калибровочного канала на форму выходной струи, гидродинамическую структуру потока, напряженно - деформированное состояние; влияние нагрева экструзионной головки на изменение гидродинамической структуры, расходно-напорных характеристик течения.
Результаты исследования с помощью ВЭ гидродинамических и тепловых процессов при обтекании затупленных тел вязкоупругой жидкостью: влияние формы и нагрева обтекаемого тела на характер нелинейного неньютоновского поведения жидкости в следе за препятствием; влияние эффектов проскальзывания жидкости на стенках на гидродинамическую структуру потока.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, форумах и съездах:
XII International congress of Rheology ( Germany, Erlangen, 2002); Annual European Rheology Conference AERC 2003 (Portugal, Guimaraes,2003); XIV International congress of Rheology ( Korea, Seul, 2004); V и VI Школах - семинарах молодых ученых и спец. академика РАН В.Е. Алемасова "Проблемы тепломассообмена в гидродинамике и машиностроении"(Казань, 2006 и 2008); XI Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ"( Санкт - Петербург, 2005); VII Международная конференция "Нефтехимия -2005"( Нижнекамск, 2005); Национальная конференция по теплоэнергетике "НКТЭ-2006"( Казань, 2006); VI и IX Всероссийских съездах по теоретической и прикладной механике (Москва, 1991; Нижний Новгород, 2006); X Международной научной школе "Гидродинамика больших скоростей"и Международной научной конференции "Гидродинамика. Механика. Энергетические установки"( Чебоксары, 2008); ММТТ-XX и ММТТ-XXI Международных научных конференциях "Математические методы в технике и технологиях"( Ярославль, 2007; Саратов, 2008); VIII Научной конференции "Нелинейные колебания механических систем"(Нижний Новгород, 2008); Всероссийской школе-семинаре "Математическое моделирование и экологическая безопасность"( Ростов-на Дону, 2000); VI Международной научной конференции "Современные проблемы механики сплошной среды"( Ростов-на Дону, 2001); Республиканской научно- технической конференции "Механика сплошных сред"( Набережные Челны, 1982); Всероссийской научной школе "Гидродинамика больших скоростей" (Чебоксары, 1986 и 1996); Межвузовской научно-технической конференции "Разработка молодых ученых, специалистов и студентов производству"( Казань, 1983); Ежегодных итоговых научных конференциях Казанского государственного технологического университета (Казань, 2005-2010); Ежегодных итоговых научных конференциях Института механики и машиностроения Каз- НЦ РАН (Казань, 1997-2010).
Личный вклад автора. Автору диссертации принадлежит постановка задач, разработка математических моделей, выбор и реализация численных методов, обсуждение и интерпретация полученных результатов. Из работ, созданных в соавторстве, на защиту выносятся результаты, в получении которых автор принимал непосредственное участие. В работах [1-3], выполненных совместно с иностранными коллегами, автору принадлежит участие в постановке задачи, выбор и реализация численного метода, все численные расчеты по одному из двух алгоритмов, участие в интерпретации полученных результатов. Выводы по диссертации сделаны лично автором.
Автор выражает искреннюю благодарность за научное консультирование и содействие в выполнении работы д-ру. техн. наук, проф. Ф. Х. Тазюкову. Автор глубоко признателен В.Л. Федяеву, А.Б. Мазо, Д.А. Губайдуллину, Ф.А. Гарифуллину, Т.Н Филипсу ( T.N. Phillips ) за многочисленные полезные обсуждения и помощь при выполнении диссертационной работы.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 44 научные работы, 16 статей, 28 тезисов докладов, выпущено 2 научно-технических отчета.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 380 наименований и приложения. Содержание работы изложено на 332 страницах машинописного текста, включая 147 рисунков и 5 таблиц.
Похожие диссертации на ГИДРОДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН НЕНЬЮТОНОВСКИХ СРЕД ПРИ ФОРМОВАНИИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
-
