К.т.н., доц. Сокольский А.Л., к.т.н., проф. Сивецкий В.И.,

д.т.н., проф. Микулёнок И.О., аспирант Ивицкий И.И.

Национальный технический университет Украины

«Киевский политехнический институт», г. Киев, Украина

ЧИСЛенное МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИСТеННОГО слоя

НА ПРОЦЕСС ТЕЧЕНИЯ ПОЛИМЕРА В ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕМ ОБОРУДОВАНИИ

Во многих отраслях экономики установился стойкий спрос на изделия из термопластичных полимерных материалов и композиций с их использованием [1]. При этом изготовление высококачественной продукции из указанных материалов сегодня почти невозможно без использования современных численных методов моделирования с целью оптимизации параметров оборудования и проходящих в нём процессов, а также без учёта влияния факторов, существенным образом влияющих на ход процессов формования получаемой продукции. Среди этих факторов одними из наиболее важных являются пристенные эффекты, от которых в значительной мере зависит распределение основных параметров расплава в рабочих каналах оборудования (в первую очередь скорости, вязкости, температуры), а следовательно и качество получаемой продукции [2].

В современных условиях проектирования процессов и оборудования для переработки полимеров всё большего использования получают вычислительная техника и современные методы расчётов, в частности такие известные вычислительные системы как MOLDFLOW, POLYCAD, COMPUPLAST, ІKV, FLUENT, POLYFLOW, учитывающие такие эффекты, как упругие деформации конструктивных элементов оборудования, пристенные эффекты и пр. При этом проведение численных экспериментов по профилированию формующих каналов оборудования намного эффективнее и дешевле, чем традиционная доводка соответствующих конструкций, которая предполагает значительные затраты времени, энергетических, материальных и человеческих ресурсов.

Традиционно во время гидравлических расчётов полимерперерабатывающего оборудования используют граничное условие прилипания расплава к поверхностям рабочих логанов оборудования [1]. Понятно, что это лишь предположение, или математическая абстракция, иначе бы часть расплава, контактирующего с элементами оборудования, никогда бы от них не отделилась. В реальных условиях скорость расплава на поверхности контакта с твёрдыми поверхностями рабочих органов оборудования нередко отличается от скорости этих поверхностей (особенно в случае недвижимых поверхностей).

Если вязкость перерабатываемой жидкости достаточно низкая, то её свойства приближены к свойствам ньютоновськой жидкости, и указанное допущение почти не влияет на точность расчётов. В то же время, когда исследуемыми средами являются высоковязкие расплавы полимеров, их вязкость существенным образом зависит не только от температурного режима переработки, но и от скоростно-деформационного режима их течения. При этом наибольшие градиенты скорости наблюдаются именно в пристенных слоях расплава, поэтому их свойства и напряжённо-деформированное состояние нередко в значительной мере влияют на поведение всего потока расплава, находящегося в рабочей зоне оборудования, в частности в его формующих каналах.

Явление пристенных эффектов (пристенного скольжения расплава) ранее было экспериментально исследовано лишь для геометрически простых каналов. Исследовать же присущие современному перерабатывающему оборудованию более сложные рабочие участки в натурных экспериментах практически невозможно, поэтому их целесообразно заменить численными расчётами.

Пристенные эффекты во время течения полимеров в каналах оборудования могут проявляться в проскальзывании полимеров по твёрдой стенке, образованию в непосредственной близости от стенки канала слоя с аномально низкой вязкостью или в проскальзывании материала по тонкому слою смазывающего вещества, нанесённого на твёрдую поверхность.

В первом случае эффект проскальзывания можно учесть коэффициентом скольжения полимера по стенке канала, который зависит от напряжения сдвига на стенке. В случае, когда толщина аномального пристенного слоя равна нулю, межфазная скорость совпадает со скоростью скольжения на границе контакта со стенкой канала.

Моделирование влияния пристенного слоя на основные параметры экструзионного формования полимерных изделий осуществлялось в системе ANSYS FLUENT, где имитацию пристенных эффектов можно выполнить двумя методами:

1) массу полимера представить моношаром, при этом на внешней стенке задать скорость материала, отличную от нуля;

2) вблизи стенки ввести тонкий слой материала со свойствами, отличными от свойств основного слоя, который моделирует наличие низкомолекулярных фракций в пристенном слое полимера или применение смазывающих примесей при экструзии.

Оценку влияния пристенного слоя во время анализа указанных методов осуществляли на цилиндрическом кольцевом канале со следующими характеристиками: внутренний диаметр 55 мм, внешний – 64 мм, длина – 686 мм. Канал был разит на 317 тысяч конечных элементов (данное количество элементов обусловлено достижением расхождения в распределении скоростей по сечению канала между предыдущей и сгущенной сеткой не более 5 %).

В результате моделирования были определены профили скорости в поперечном сечении канала и перепады давления в нём как с монослоем, так и при наличии смазывающего слоя. Результаты моделирования движения расплава полиэтилена низкой плотности при температуре 160 °С показаны на рис. 1, из которого видно, что наличие пристенного слоя, достигаемого, например, введением дополнительного смазывающего материала вблизи стенки, позволяет предотвратить эффект «прилипания» расплава к стенкам канала (и соответственно не только уменьшить или вообще устранить дефекты поверхности получаемого изделия, но и снизить энергоёмкость процесса формирования, а также на 50–60 % – и гидравлическое сопротивление формующих каналов).

Рис. 2. Распределение скоростей расплава полимера по высоте канала:
1 – монослой; 2 – со смазывающим слоем

Как показали проведенные исследования, оба рассмотренных метода численного моделирования пристенного слоя имеют право на существование. При этом более простой метод с использованием монослоя нужно считать приближённым. Метод же введения дополнительного смазывающего слоя более точный, поскольку он моделирует не только изменение скорости в пристенном слое, но и изменение свойств самого материала (в то же время он и более сложный, поскольку он предполагает определение свойств не только основного материала, но и пристенного слоя). Кроме того, проведенные исследования показали целесообразность введения смазывающих примесей на стенки формующих каналов при реализации реальных технологических процессов, поскольку это позволяет существенным образом уменьшить перепад давления формующего инструмента и увеличить производительность процесса экструзии.

Литература:

1. Мікульонок І. О. Обладнання і процеси переробки термопластичних матеріалів з використанням вторинної сировини. – К. : ІВЦ „Видавництво «Політехніка»”, 2009. – 265 c.

2. Пристінні ефекти в процесах переробки полімерних матеріалів: монографія / В. І. Сівецький, О. С. Сахаров, О. Л. Сокольський, Д. Д. Рябінін. – К.: НТУУ «КПІ», 2009. – 140 с.