Численное исследование закономерностей течения аномально вязких жидкостей

Аннотация

В статье рассмотрены постановка и численная реализация задачи моделирования процесса тепло и массопереноса перерабатываемых совместно полимерных материалов с различными физико-реологическими свойствами. Поскольку в современном производстве используется все больше видов искусственных полимерных материалов, а наиболее рациональным и удобным способом их переработки и формования готового изделия является экструзия, необходимость решения подобной задачи возникает весьма часто, в частности, в процессе наложения многослойных полимерных покрытий. Трехслойное покрытие формуется из расплавов полимеров, свойства которых могут меняться в достаточно широких диапазонах. Кроме того, такое свойство этих материалов, как вязкость, как правило, проявляет нелинейную зависимость от температуры и интенсивности деформации, что в значительной степени затрудняет прогнозирование результатов взаимодействия стратифицированных потоков (слоев) на участках их совместного течения, и геометрических размеров получаемого многослойного покрытия. Цель данного исследования можно определить как осуществление оценки геометрии существующего формующего инструмента с точки зрения ее рациональности, выявление условий стабильности границ раздела в стратифицированном потоке и экспериментальное определение взаимосвязи толщин накладываемых слоев полимерных материалов с изменением некоторых технологических параметров. Для упрощения постановки задачи реальные физические процессы заменяются математической моделью, представляющей собой систему нелинейных дифференциальных уравнений, отражающих основные законы сохранения. Совокупность уравнений в частных производных описывает поведение аномально вязких жидкостей в условиях вынужденного движения и теплообмена. Для однозначной идентификации моделируемого процесса, вышедшего на стационарный режим, сформированная система уравнений дополняется граничными условиями и физико-реологическими свойствами перерабатываемых материалов. В модели учитываются также естественные и технологические ограничения и допущения. Модель реализуется с помощью универсальной программной системы конечно-элементного (МКЭ) анализа ANSYS. Для подтверждения адекватности выбранного численного метода решения оценены параметры его сходимости, проведен сравнительный расчет для формующего инструмента, работающего в режимах заданного расхода и перепада давления в его каналах. Графически показано влияние на толщины накладываемых слоев изменения некоторых технологических параметров процесса экструзии. Отмечается возможность применения предлагаемой модели в системе автоматизированного управления линией формования трехслойного полимерного покрытия.