Анализ пространственного тепломассопереноса в каналах формующего инструмента при соэкструзии полимеров
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2018.11.4.28Ключевые слова:
соэкструзия, реология, сшитые полиэтилены, многослойное покрытие, математическое моделирование, аномально-вязкая жидкостьАннотация
На сегодняшний день кабельное производство испытывает потребность в использовании в качестве изоляционного материала сшитого полиэтилена (ПЭ), имеющего более высокую рабочую температуру. Одним из способов получения многослойной изоляции из сшитого ПЭ является соэкструзия привитого ПЭ с последующей сшивкой в паровых котлах. Каналы коническо-цилиндрических конфигураций, найденные авторами в литературе, существенно отличаются от реальных каналов в кабельной головке. В статье приведены постановка и результаты численной реализации пространственной задачи тепломассопереноса для нелинейно-вязких пластмасс в каналах соэкструзионной кабельной головки сложной геометрии. Поскольку трехслойное кабельное покрытие создается в формующем инструменте, важным является исследование и анализ течений расплавов материалов с различными свойствами. Во многом процесс течения определяется нелинейным характером зависимости вязкости расплава как от температуры, так и от тензора скоростей деформации. В данной работе считалось, что полимерная изоляция изготовлена из привитого ПЭ, для которого определение реологических параметров на лабораторном реометре весьма затруднительно из-за возможного процесса подсшивки. Рассмотрены три геометрических модели формующего инструмента, отличающиеся формой и длиной каналов. Вычисления по соответствующим математическим моделям выполнены с помощью универсального программного комплекса конечно-элементного анализа ANSYS. Представлены зависимости максимальных и средних температур, давлений для каждого канала в отдельности. Установленные результаты позволили сделать вывод о том, что геометрическая модель, наиболее приближенная к реальной кабельной головке, полнее других описывает процессы тепломассопереноса.
Скачивания
Библиографические ссылки
Sunwoo K.B., Park S.J., Lee S.J., Ahn K.H., Lee S.J. Three-dimensional numerical simulation of nonisothermal coextrusion process with generalized Newtonian fluids // Korea-Australia rheology journal. 2000. Vol. 12. No. 3/4. P. 165-173.
Микаэли В. Экструзионные головки для пластмасс и резины: конструкции и технические расчеты. СПб.: Профессия, 2007. 472 с.
Gifford W.A. A three-dimensional analysis of coextrusion // Polymer Eng. Sci. 1997. Vol. 37. No. 2. P. 315‑320. DOI
Malkin A.Y. Non-Newtonian viscosity in steady–state shear flows // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. 2013. Vol. 192. Р. 48-65. DOI
Казаков А.В., Труфанова Н.М. Численное моделирование процесса течения полимера в кабельной головке и анализ зависимости параметров процесса от некоторых теплофизических свойств материала // Вестник ПГТУ. Механика. 2009. № 1. С. 130-136.
Dooley J., Rudolph L. Viscous and elastic effects in polymer coextrusion // Journal of plastic film & sheeting. 2003. Vol. P. 111-122. DOI
Lee B.L., White J.L. An experimental study of rheological properties of polymer melts in laminar shear flow and of interface deformation and its mechanisms in two-phase stratified flow // Transactions of the Society of Rheology. 1974. Vol. 18.
467-492. DOI
Southern J.M., Ballman R.L. Additional observations on stratified bicomponent flow of polymer melts in a tube // J. Polymer Sci. Polymer physics edition. 1975. Vol. 13. No. 4. P. 863-869. DOI
Бачурина М.В., Казаков А.В., Труфанова Н.М. Численное исследование закономерностей течения аномально вязких жидкостей // Вычисл. мех. сплош. сред. 2015. Т. 8, № 3. С. 298- DOI
Mitsoulis E., Heng F.L. Numerical simulation of coextrusion from a circular die // J. Appl. Polymer Sci. 1987. Vol. 34. P. 1713-1725. DOI
Гончаров Г.М., Гуданов И.С., Ломов А.А. О влиянии параметров заходной зоны цилиндрических каналов на качество агрегированных профилей // Научно-технический вестник Поволжья. 2011. № 6. C. 137-141.
Гончаров Г.М., Ломов А.А., Гуданов И.С., Лаврентьев Ю.Б., Юрыгин П.П. Численное изучение процесса размерообразования при соэкструзии трубчатых изделий из резиновых смесей // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2013. Т. 56, № 12. С. 82-85.
Юрыгин П.П., Гуданов И.С., Гончаров Г.М., Ломов А.А. Математическое моделирование соэкструзии длинномерных кольцевых изделий из резиновых смесей // Научно-технический вестник Поволжья. 2013. № 2. С.267-271.
Гуданов И.С., Юрыгин П.П., Гончаров Г.М., Ломов А.А. Определение энергосиловых параметров процесса соэкструзии трубчатых профилей из резиновых смесей // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2012. Т. 55, № 5. С.116‑118.
Снигерев Б.А., Тазюков Ф.Х. Двухслойное течение расплавов полимеров в каналах фильер // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Математика. Механика. Информатика. 2014. Т. 14, № 3. С. 349-354.
Mavridis H., Hrymak A.N., Vlachopoulos J. Finite-element simulation of stratified multiphase flows // AIChE Journal. 1987. No. 33. P. 410-422. DOI
Раувендааль К. Экструзия полимеров. СПб.: Профессия, 2008. 768 с.
Козицына М.В., Труфанова Н.М., Рябкова Н.А. Численно-экспериментальное определение реологических характеристик полимеров // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. 2017. Т. 19, № 1. С. 155-169. DOI
Смирнов Е.М., Зайцев Д.К. Метод конечных объемов в приложении к задачам гидрогазодинамики и теплообмена в областях сложной геометрии // Научно-технические ведомости СПбГТУ. 2004. № 2. С. 70-81.
Зенкевич О.С. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. 541 с.
###
Sunwoo K.B., Park S.J., Lee S.J., Ahn K.H., Lee S.J. Three-dimensional numerical simulation of nonisothermal coextrusion process with generalized Newtonian fluids. Korea-Australia rheology journal, 2000, vol. 12, no. 3/4, pp. 165-173.
Michaeli W. Extrusion dies for plastic and rubber. Designs and engineering computations. Munich: Carl Hanser Verlag, 2003. 362 p.
Gifford W.A. A three-dimensional analysis of coextrusion. Polymer Eng. Sci., 1997, vol. 37, no. 2, pp. 315‑320. DOI
Malkin A.Y. Non-Newtonian viscosity in steady–state shear flows. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 2013, vol. 192, pp. 48-65. DOI
Kazakov A.V., Trufanova N.M. Chislennoye modelirovaniye protsessa techeniya polimera v kabel’noy golovke i analiz zavisimosti parametrov protsessa ot nekotorykh teplofizicheskikh svoystv materiala [Numerical simulation of the polymer flow process in the cable head and analysis of the dependence of the process parameters on some thermophysical properties of the material]. Vestnik PGTU. Mekhanika – Bulletin of Perm State Technical University. Mechanics, 2009, no. 1, pp. 130‑136.
Dooley J., Rudolph L. Viscous and elastic effects in polymer coextrusion. Journal of plastic film & sheeting, 2003, vol. 19, pp. 111-122. DOI
Lee B.L., White J.L. An experimental study of rheological properties of polymer melts in laminar shear flow and of interface deformation and its mechanisms in two-phase stratified flow. Transactions of the Society of Rheology, 1974, vol. 18, pp. 467‑492. DOI
Southern J.M., Ballman R.L. Additional observations on stratified bicomponent flow of polymer melts in a tube. Polymer Sci. Polymer physics edition, 1975, vol. 13, no. 4, pp. 863-869. DOI
Bachurina M.V., Kazakov A.V., Trufanova N.M. Numerical study of mechanisms of abnormally viscous liquid flows. meh. splos. sred – Computational Continuum Mechanics, 2012, vol. 8, no. 3, pp. 298-309. DOI
Mitsoulis E., Heng F.L. Numerical simulation of coextrusion from a circular die. Appl. Polymer Sci., 1987, vol. 34, pp. 1713-1725. DOI
Goncharov G.M., Gudanov I.S., Lomov A.A. About influence of parameters of the initial zone of cylindrical channels on quality of the aggregated profiles. Nauchno-texnicheskij vestnik Povolzhya – Scientific and technical Bulletin of the Volga region, 2011, no. 6, pp. 137-141.
Goncharov G.M., Lomov A.A., Gudanov I.S., Lavrent’yev Yu.B., Yurygin P.P. Chislennoye izucheniye protsessa razmeroobrazovaniya pri soekstruzii trubchatykh izdeliy iz rezinovykh smesey [Numerical study of the process of size formation during the coextrusion of tubular products from rubber compounds]. vuzov. Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya – News of universities. Chemistry and chemical technology, 2013, vol. 56, no. 12, pp. 82-85.
Yurygin P.P., Gudanov I.S., Goncharov G.M., Lomov A.A. Mathematical modeling of coextrusion of lenghty annular products from rubber compounds. Nauchno-texnicheskij vestnik Povolzhya – Scientific and technical Bulletin of the Volga region, 2013, no. 2, pp. 267-271.
Gudanov I.S., Yurygin P.P., Goncharov G.M., Lomov A.A. Opredeleniye energosilovykh parametrov protsessa soekstruzii trubchatykh profiley iz rezinovykh smesey [Determination of energy-power parameters of the process of coextrusion of tubular profiles made of rubber compounds]. vuzov. Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya – News of universities. Chemistry and chemical technology, 2012, vol. 55, no. 5, pp. 116-118.
Snigerev B.A., Tazyukov F.Kh. Double layer of polymer melts in channels of dies. Sarat. un-ta. Nov. ser. Ser. Matematika. Mekhanika. Informatika – News of Saratov university. New series. Series: Mathematics. Mechanics. Computer science, 2014, vol. 14, no. 3, pp. 349-354.
Mavridis H., Hrymak A.N., Vlachopoulos J. Finite-element simulation of stratified multiphase flows. AIChE Journal, 1987, no. 33, pp. 410-422. DOI
Rauwendaal Ch. Polymer extrusion. Munich: Carl Hanser Verlag, 2001. 791 p.
Kozitsyna M.V., Trufanova N.M., Ryabkova N.A. Numerical and experimental determination of the rheological properties of polymers. Vestnik PNIPU. Mashinostroyeniye, materialovedeniye – Bulletin PNRPU. Mechanical engineering, materials science, 2017, vol. 19, no. 1, pp. 155-169. DOI
Smirnov E.M., Zaytsev D.K. Metod konechnykh ob”yemov v prilozhenii k zadacham gidrogazodinamiki i teploobmena v oblastyakh slozhnoy geometrii [Finite volume method as applied to hydro- and gas dynamics and heat transfer problems in complex geometry domains]. Nauchno-tekhnicheskiye vedomosti SPbGTU – Scientific and technical statements of the St. Petersburg State Polytechnic University, 2004, no. 2, pp. 70-81.
Zienkiewicz O.С. The finite element method in engineering science. London: McGraw-Hill, 1971. 535 p.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2018 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
