Течение неньютоновских жидкостей в рабочих каналах машин по переработке полимерных материалов
На правах рукописи
КУТУЗОВ АЛЕКСАНДР ГРИГОРЬЕВИЧ
ТЕЧЕНИЕ НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ В РАБОЧИХ КАНАЛАХ МАШИН ПО ПЕРЕРАБОТКЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
01.02.05 – Механика жидкости, газа и плазмы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Казань –2010
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Казанский государственный технологический университет»
Научный консультант: доктор технических наук, старший научный
сотрудник Тазюков Фарук Хоснутдинович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Ким Валентин Сенхакович
доктор физико-математических наук, профессор
Котляр Леонид Михайлович
доктор технических наук, профессор
Шерышев Михаил Анатольевич
Ведущая организация: ООО «НТЦ «НИИШП», г. Москва
Защита состоится «___» _________ 2010 года в «___» часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.11 при Казанском государственном технологическом университете по адресу: 420015, г. Казань, ул. К.Маркса, 68 (зал заседаний Ученого совета).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета.
Автореферат разослан «___» _____ 2010г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук Герасимов А.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Одним из важнейших направлений развития химической технологии является совершенствование гидродинамических и тепловых процессов, протекающих в производственных машинах и аппаратах. Полимерные растворы и расплавы при течении в каналах машин и аппаратов химической технологии в ряде случаев показывают эффекты, не характерные для ньютоновских жидкостей. В частности, полимерные жидкости являются материалами с вязкоупругими свойствами, которые ответственны за многие эффекты, происходящие при переработке текучих полимерных систем и получении конечного продукта. К таким эффектам можно отнести образование эластической турбулентности струи при экструзии и особенности миграции газовых пузырьков при каландровании полимерных смесей. С точки зрения исследователя эти свойства должны быть предсказаны заранее, понята их физическая суть, по возможности описаны соответствующими математическими моделями и использованы в расчетной и инженерной практике.
Представленная работа посвящена исследованиям течения неньютоновских жидкостей в рабочих каналах каландров и экструдеров, по результатам которых предложены практические рекомендации по совершенствованию конструкции этих каналов и проектированию технологических режимов переработки полимерных материалов на этих машинах.
Актуальность темы. На предприятиях химической промышленности, прежде всего шинной и резинотехнической, нашли широкое применение машины и аппараты, рабочие органы которых представляют каналы, через выходное сечение которых происходит формование различных изделий. Это относится к таким важным методам переработки полимеров, как каландрование и экструзия. Рабочим органом каландров является канал, образованный валками каландра, а рабочим органом экструдеров является формующий канал экструзионной головки. Распространены следующие схемы работы указанного оборудования: каландр – экструдер (резинотехнические изделия, шины), экструдер – каландр (пленки, листы). Проблемы в работе одного оборудования не только не устраняются работой другого оборудования, но и часто усугубляются. Главными проблемами в производстве указанных изделий являются попадание в изделия газовоздушных включений и эластическая турбулентность при экструзии полимерных материалов.
Несмотря на различные технологические схемы переработки полимеров на каландровых линиях, определяющим элементом является непрерывный процесс течения полимера как неньютоновской жидкости в канале, образованном вращающимися навстречу друг другу валками. При этом в областях деформации между валками происходят сложные гидродинамические и термодинамические процессы, влияющие на качество получаемых изделий и определяющие энергосиловые характеристики оборудования. Технологические режимы работы валковых машин зачастую выбираются в соответствии с многочисленными и разобщенными экспериментальными данными, а не на базе предварительных расчетов и теоретического анализа. Кроме того, при переработке некоторых видов полимеров, например, резиновых смесей, имеют место различные виды брака: разрывы листа и раковины, которые могут появляться при попадании газовоздушных включений в канал между валками. Удаление этих включений остается в настоящее время важной и актуальной проблемой. Таким образом, при математическом описании процессов, протекающих в канале между двумя вращающимся валками, важно не только решение задачи течения неньютоновской жидкости в этом канале с целью определения основных параметров процесса, но и рассмотрение проблемы движения газовоздушных включений в неньютоновской жидкости. Анализ движения дисперсионных включений позволит прояснить механизм их поведения в зоне деформации и использовать это для отыскания оптимального режима работы каландрового агрегата, при котором газовоздушные включения будут удаляться из межвалкового канала. Для интенсификации каландрования полимерных материалов, особенно резиновых смесей, предлагается использовать клиновые устройства. Математическое моделирование течения неньютоновской жидкости в канале между клином и валком каландра и анализ движения газовых пузырей, попадающих в канал, составляют предмет исследования в диссертационной работе.
Важное влияние на устойчивое течение экструдата оказывают следующие эффекты: пульсации давления, связанные с образованием застойных зон в угловых областях формующей головки экструдера, образование радиальной температурной неоднородности экструдата, периодическое проскальзывание экструдата, связанное с ориентацией макромолекул полимеров в пристенных слоях расплава (
-эффект) и наличием значительных пиков напряжений и давления в выходном сечении формующей головки. Важность и актуальность результатов исследований этих эффектов, возникающих при течениях реологически сложных жидкостей, заключается еще и в том, что они могут быть использованы при проектировании перерабатывающего оборудования и выборе оптимальных режимов переработки. Таким образом, при моделировании процессов, связанных с переработкой полимеров, требуется учитывать сложное вязкоупругое поведение полимеров. Поняв причины неустойчивого движения полимеров, можно оказывать влияние на этот процесс, контролировать его и управлять им.
Исследования носят межотраслевой характер и проведены в соответствии с Координационным планом РАН «Теоретические основы химической технологии» на 1986-2000 гг., НИР отделения Химии и химической технологии АН Татарстана по теме: «Механика реологических сред в каналах сложной геометрии», этап на 2001 год «Современное представление о реологических конституционных соотношениях для многофазных полимерных систем», этап на 2003 год «Исследование закономерностей формирования надмолекулярных структур», этап на 2004 год «Исследование степени ориентации макромолекул расплава резиновых смесей в формующих инструментах промышленных экструдеров».
Цель работы. Целью работы является совершенствование гидродинамических и тепловых процессов в рабочих каналах машин для производства шин и резинотехнических изделий, в которых межфазная граница играет важную роль, а линия трехфазного контакта является фактором, влияющим на образование и развитие эластической турбулентности.
Для достижения сформулированной цели были поставлены следующие задачи:
1. Разработать математическую модель течения вязкоупругой жидкости в канале между вращающимися валками с использованием клинового устройства.
2. Разработать математические модели движения газовых пузырьков для различных случаев сдвиговых потоков вязкоупругой жидкости и миграции газовых пузырьков в канале, образованном поверхностями вращающегося валка и неподвижного клина.
3. На основе результатов математического моделирования течения неньютоновской жидкости в канале между вращающимися валками с использованием клинового устройства, математического моделирования движения газовых пузырьков в зоне деформации и экспериментальных исследований оценить влияние реологических свойств жидкости и технологических параметров процесса на поведение газовых пузырьков и выходные характеристики процесса каландрования.
4. Путем математического моделирования исследовать следующие основные причины неустойчивого течения экструдата: образование застойных зон в угловых областях формующей головки экструдера, образование радиальной температурной неоднородности экструдата, периодическое проскальзывание экструдата, связанное с ориентацией макромолекул полимеров в пристенных слоях расплава (
-эффект) и наличием значительных пиков напряжений и давления в выходном сечении формующей головки.
Научная новизна. Научная новизна работы состоит в том, что, по мнению автора, впервые созданы математические модели течения вязкоупругой жидкости между валками каландра с использованием клинового устройства и в формующей головке экструдера, учитывающие наличие поверхностей раздела фаз; исследованы условия направленной миграции газовых пузырьков и основные причины неустойчивого течения экструдата.
К новым результатам можно отнести:
1. математическую модель движения вязкоупругой жидкости в канале между вращающимися с разными угловыми скоростями валками с использованием клинового устройства, позволяющую рассчитать наилучшие режимные и конструктивные параметры процесса для получения изделия заданного качества;
2. математическую модель движения газовых пузырьков для различных случаев сдвиговых потоков вязкоупругой жидкости; установлено, что газовый пузырек смещается в направлении уменьшения скорости сдвига; скорость боковой миграции пузырька зависит от вида потока, в котором находится пузырек, реологических свойств среды и размеров пузырька;
3. математическую модель миграции газовых пузырьков в канале, образованном поверхностями вращающегося валка и неподвижного клина; оценено влияние реологических свойств жидкости, режимных и конструктивных параметров процесса на скорость миграции и траекторию газовых пузырьков;
4. результаты экспериментальных исследований движения вязкоупругой жидкости и миграции газовых пузырьков в канале между валком и клином; установлено, что применение клинового устройства существенно увеличивает степень дегазации перерабатываемого материала;
5. результаты математического моделирования течения вязкоупругой жидкости в каналах со ступенчатым сужением; установлено существенное влияние формы канала и упругих свойств жидкости на структуру течения вблизи входной области формующей головки экструдера;
6. результаты математического моделирования неизотермического течения вязкоупругой жидкости в каналах со ступенчатым сужением с учетом влияния высокоэластичности жидкости на процесс диссипации механической энергии течения; установлено существенное влияние упругости жидкости на структуру течения вблизи области сужения, что приводит к образованию и росту пиков функции теплового источника и, как следствие, к скачкообразному росту температуры вблизи сужения;
7. результаты математического моделирования экструзии вязкоупругой жидкости с учетом параметра, определяющего внутреннюю микроструктуру этой жидкости, термокапиллярной конвекции и особенностей течения в окрестности межфазных границ и линии трехфазного контакта.
Практическая значимость. Результаты работы по движению вязкоупругой среды в межвалковом канале и миграции газовых пузырьков в каналах различного профиля послужили основой для создания в ОАО «Нижнекамскшина» методик расчета технологических режимов каландрования резиновых смесей.
Результаты работ по моделированию течения вязкоупругих жидкостей во входном канале формующей головки экструдера, моделированию процессов, происходящих при экструзии резиновых смесей в условиях неизотермичности, моделированию экструзии вязкоупругих жидкостей с учетом пристенного скольжения (
-эффекта) и особенностей течения в окрестности межфазных границ и линии трехфазного контакта использовались в ОАО «Нижнекамскшина» для проектирования новых формообразующих насадок экструдеров и отработки новых технологий экструзии резиновых смесей. Новые конструкции экструзионных головок имеют новую форму формующего канала для устранения застойных зон и специальное нагревательное устройство для нагрева узкой части формующего канала вблизи выходного сечения (для устранения радиальной температурной неоднородности экструдата и уменьшения степени ориентации макромолекул). Величина участка нагрева и степень нагрева экструзионной головки рассчитывалась по местоположению и величине пиков образующихся пристенных напряжений.
Проведенная модернизация экструдеров в производстве автокамер УК-13М, УК-14М, 205-14, 6.95-16, 8.40-15 и автошин КАМА-205(165/70R13),КАМА-578(175/70R13), БЛ85(175/70R14), КАМА-ART(205/70R14), КАМА-FLAME(205/70R16), КАМА- 201(225/75R15) КАМА-ЕВРО(185/65R1486H) на ОАО «Нижнекамскшина» позволила вдвое уменьшить количество брака в изделиях шинной промышленности.
Достоверность полученных данных. Достоверность полученных экспериментальных данных по измерениям давления в зоне деформации, траектории пузырька в канале между клином и валком, физико-механических показателей обеспечивалась применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения и обработки данных, анализом точности измерений, повторяемостью результатов.
Достоверность теоретических результатов гарантируется применением современных методов математического моделирования, базирующихся на общих законах сохранения, использованием теории подобия, апробированных аналитических и численных методов решения, обоснованностью используемых допущений.
Достоверность полученных результатов подтверждается путем сравнения полученных теоретических результатов с данными экспериментов, а также путем сравнения с известными экспериментальными данными и с результатами расчетов других авторов.
Основные положения, выносимые на защиту:
Математическая модель движения вязкоупругой жидкости в канале между вращающимися с различными угловыми скоростями валками с использованием клинового устройства. Математическая модель движения газового пузырька в сдвиговом течении вязкоупругой жидкости в каналах различного профиля. Результаты экспериментальных исследований движения резиновой смеси и движения газовых пузырьков в канале между валком и клином. Результаты математического моделирования изотермического и неизотермического течений вязкоупругой жидкости во входном участке формующей головки экструдера. Результаты математического моделирования течения вязкоупругой жидкости в выходном участке формующей головки экструдера с учетом зависимости конфигурации макромолекул от условий течения. Результаты исследований, направленных на снижение дефектов в изделиях, получаемых каландрованием и экструзией.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на отчетных научно-технических конференциях КХТИ-КГТУ, г. Казань, 1989-2007г.г.; II-ой региональной научно-технической конференции «Математическое моделирование в процессах производства и переработки полимерных материалов», г. Пермь, 1990г.; XV Всесоюзном симпозиуме по реологии, г. Одесса, 1990г.; III-ей региональной научно-технической конференции «Математическое моделирование в процессах производства и переработки полимерных материалов», г. Пермь,1992г.; научно-технической конференции «Математические методы в химии и химической технологии», г. Тверь, 1995г.; IV-ой конференции по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия-96», г. Нижнекамск, 1996г.; научной конференции «Проблемы нефтехимического и органического синтеза», г. Нижнекамск, 1998г.; международной научно-технической конференции «Технико-экономические проблемы промышленного производства», г. Набережные Челны, 2000г.; 11-ом, 12-ом и 13-ом симпозиумах «Проблемы шин и резинокордных систем», г. Москва, 2000г., 2001г., 2002г.; Российском национальном симпозиуме по энергетике, г. Казань, 2001г.; VI-ой международной конференции нефтехимических процессов «Нефтехимия-2002», г. Нижнекамск, 2002г.; международной научно-практической конференции «Инновационные процессы в области образования, науки и производства», г. Нижнекамск, 2004г.; VII-ой международной конференции по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия-2005», г. Нижнекамск, 2005г.; межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы образования, науки и производства», г. Нижнекамск, 2006г.; XX-ой международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», г. Ярославль, 2007г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 57 печатных работ, в том числе 1 монография, 17 публикаций в центральных изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ.
Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах состоит в постановке цели и задач исследований, выборе методики экспериментов, непосредственном участии в их проведении, анализе и обобщении экспериментальных результатов, в разработке всех математических моделей. Вклад автора является решающим на всех стадиях работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержание диссертации изложено на 379 страницах машинописного текста, содержит 166 рисунков. Список использованной литературы включает 299 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, формулируются цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе приводится обзор литературы по теме диссертации, в котором отмечено следующее. Движение твердых частиц и капель в прямолинейных каналах достаточно полно рассматривалось другими авторами как теоретически, так и экспериментально. Однако в доступных источниках отсутствует анализ движения газовых пузырьков в вязкоупругих средах и не рассматривается прикладная сторона задачи. Кроме того, во всех предлагаемых моделях учитывались только случаи простого сдвигового потока и течения Пуазейля в каналах с параллельными стенками и не рассматривались другие возможные случаи сдвиговых потоков. При этом теоретические модели, описывающие процесс каландрования с использованием клинового устройства, ограничивались применением обобщенного ньютоновского конститутивного соотношения. Влияние упругих (релаксационных) свойств вязкоупругих жидкостей, характерных для полимерных материалов, оставалось неисследованным. Главу завершает обзор работ, посвященных экструзии полимеров. При численном моделировании течения полимеров в формующем инструменте и на выходе из формующего инструмента требуется учитывать не только сложное вязкоупругое поведение полимеров и наличие статической линии контакта трех фаз, но и неизотермичность процесса экструзии. Неизотермичность процесса экструзии способна в значительной мере влиять не только на степень разбухания экструдата, но и на его устойчивость к образованию волн на свободной поверхности экструдата. Считается, что возникновение эффекта эластической турбулентности связано с ростом пристенных напряжений. При достижении пристенных напряжений некоторого критического значения экструдат начинает скользить вдоль твердой стенки. Это, в свою очередь, снижает напряжение на стенке и, соответственно, уменьшает степень ориентации макромолекул, что приводит к восстановлению условия прилипания полимерной жидкости к стенке. Таким образом, происходит периодическое изменение свойств жидкости вблизи стенки от вязкоупругого к высокоэластическому и обратно и периодические изменения граничных условий на стенке, что приводит к осцилляциям в жидкости и появлению периодических волн на свободной поверхности экструдата. Для исследования причин этого явления необходим анализ изменения конфигурации (растяжения и ориентации) макромолекул при экструзии полимеров в области течения жидкости.
Во второй главе рассматривается несимметричный процесс движения вязкоупругой жидкости в межвалковом канале каландра с применением клинового устройства. В качестве реологического конститутивного соотношения используется модифицированное соотношение Ривлина-Эриксена, предсказывающее эффект аномалии вязкости и ненулевую первую разность нормальных напряжений в сдвиговом течении. Задача решается в изотермическом приближении, массовые и инерционные силы принимаются малыми по сравнению с силами трения. Клиновое устройство вводится в межвалковый канал со стороны загрузки материала (рис.2.1).
Учитывая, что минимальный зазор между валками достаточно мал по сравнению с радиусом кривизны валков 2Н0 « R, можно получить уравнения движения в виде:
, (2.1) 
, (2.2)
, (2.3) 
. (2.4)
с условиями на границах области течения:
между валком и клином:
при 
, (2.5) 
при 
; (2.6)
между валками:
при 
, (2.7) 
при 
, (2.8)
Р=0; 
при 
, (2.9)
где n - индекс течения; А - функция Вейссенберга-Лоджа; 
- фрикция; x1 -координата точки отрыва материала от поверхности валков.
Для удобства зона деформации разбивается на две области: клин-валок и валок-валок. Условием стыковки является равенство давления на границе областей.
Для решения задачи применяется метод возмущений. Распределение скорости 
и давления 
ищется в виде разложения по степеням малого
Рис.2.1. Схема зоны деформации.
параметра 
:
;
. (2.10)
После подстановки разложений (2.10) и безразмерных переменных в уравнения (2.1)-(2.4) и решения полученных уравнений совместно с граничными условиями (2.5)-(2.9) получены распределения скорости движения жидкости, давления в зоне деформации, касательных и нормальных напряжений; распорные усилия на валки и мощность привода валков, затрачиваемая на преодоление сил трения в зазоре.
| Рис.2.2. Зависимость давления в зоне деформации от положения клинового устройства. | Проведена оценка влияния положения клина (рис.2.2), величины минимального зазора, фрикции, глубины загрузки материала в зазор, а также реологических свойств среды на кинематические и энергосиловые параметры процесса. Было установлено существенное влияние упругости среды на толщину получаемого листа. |
Полученные выражения позволяют определить параметры течения вязкоупругой жидкости в рабочем канале каландра, образованном поверхностью вращающегося валка каландра и неподвижного клина, рассчитать такие технологические режимы каландрования вязкоупругих материалов, которые позволяют получать изделия заданного качества.
В третьей главе рассматривается миграция газового пузырька в сдвиговом потоке вязкоупругой жидкости в канале с параллельными стенками (рис.3.1)
Рис.3.1. Схема процесса движения сферического пузыря
в сдвиговом течении: 1 – сдвиговое течение с вогнутым профилем скорости; 2 – простой сдвиг; 3 – сдвиговое течение с выпуклым профилем скорости; 4 – пуазейлево течение.
и в канале, образованном поверхностями вращающегося валка каландра и неподвижного клина. Движение невозмущенного потока (без пузырька) предполагается одномерным, жидкость удовлетворяет модифицированному соотношению Ривлина-Эриксена. Предполагается, что размер пузырька мал по сравнению с диаметром канала, а его форма сферическая. Массовые и инерционные силы принимаются малыми по сравнению с силами трения, процесс течения удовлетворяет уравнениям движения и неразрывности для медленных течений. Для решения задачи принимается, что система координат имеет начало в центре пузырька и перемещается относительно неподвижной стенки со скоростью пузырька. Задача решается методом возмущений.
Уравнения движения и неразрывности жидкости в безразмерной форме записываются в виде:
, (3.1)
, (3.2)
(3.3)
со следующими граничными условиями:
вдали от пузырька:
и 
- на стенке; (3.4)
на поверхности пузырька (r = 1):
, (3.5) 
, (3.6)
где: 
- векторный оператор; 
- тензор напряжений; 
- скорость жидкости; p – давление в жидкости; p
- давление внутри пузырька; 
(1),
(2) - тензоры Ривлина-Эриксена; 
- единичный тензор; 
- малый параметр; 
; 2, 3 - коэффициенты при первой и второй разностях нормальных напряжений; 
- скорость невозмущенного потока жидкости; Vw - скорость подвижной стенки в сдвиговом потоке; 
- единичный вектор; 
– скорость пузырька; - межфазное натяжение на границе жидкость-газ; 
- безразмерный радиус пузырька; 
- радиус пузырька и диаметр канала соответственно; S = d1/d – безразмерное положение пузырька относительно стенок канала; * - обозначение размерных параметров.
Поля невозмущенной скорости и давления принимаются в виде:
;
,
где: 
- для простого сдвигового течения;
- для сдвигового потока с вогнутым профилем скорости (
>0);
- для Пуазейлева течения; Vmax - максимальная скорость в Пуазейлевом течении.
Для решения задачи (3.1)-(3.6) применялось разложение искомых функций по малому параметру 1:
;
;
;
(3.7)
Для получения решения в нулевом приближении применялся метод отражений (
аппроксимировалась серией альтернативных членов, удовлетворяющих граничным условиям на поверхности пузырька и на стенке). Для получения полей скорости в окрестности пузырька использовалось разложение Ламба, для полей скорости вблизи стенки - метод Факсена.
Для получения решения в первом приближении применялась теорема взаимности Лоренца. Результат решения задачи в размерной форме записывается в следующем виде:
, (3.8)
где:
– ряды по степеням безразмерного радиуса пузырька 
.
В результате решения задачи установлено, что скорость боковой миграции пузырька зависит от вида потока, в котором находится пузырек, коэффициентов при первой и второй разностях нормальных напряжений 
и 
, вязкости среды 
и размеров пузырька. Проведена оценка влияния перечисленных факторов на скорость миграции и траекторию пузырька. Установлено, что пузырек смещается в направлении уменьшения скорости сдвига: в направлении неподвижной стенки для сдвиговых потоков (рис.3.2) и в направлении осевой линии в Пуазейлевом течении. Скорость миграции и величина поперечного смещения увеличиваются с ростом размеров пузырька. Показано, что увеличение упругости среды приводит к увеличению скорости миграции пузырька и к увеличению его поперечного смещения; увеличение
| Рис.3.2. Траектория пузыря в сдвиговом потоке с вогнутым профилем скорости. | вязкости дает обратный эффект. Постановка и решение задачи в сходящемся канале, образованном поверхностями вращающегося валка каландра и неподвижного клина, аналогичны предыдущему случаю. Вид невозмущенного по- тока был принят для случая вогнутого профиля скорости. В результате решения задачи было установлено, что увеличение размеров пузырьков приво- |
| Рис.3.3. Влияние размеров пузырей на их траекторию в канале между валком и клином. | дит к увеличению скорости их смещения к поверхности клина и к быстрому выходу из зоны деформации (рис.3.3). Увеличение упругости среды дает аналогичный результат, увеличение же вязкости дает обратный эффект. Анализ влияния положения клина на траекторию пузырьков показал, что существует оптимальное положение кли- |
нового устройства, обеспечивающее максимально быстрое смещение пузырьков к неподвижной стенке.
В четвертой главе рассматривается экспериментальное исследование процесса движения резиновых смесей на промышленной пятивалковой установке с размером валков 200х600мм, а также движение газовых пузырьков в зазоре между клином и валком на одновалковой опытной установке с размером валков 160х100мм. Главная цель проведенных экспериментальных исследований - установление степени достоверности полученных в главах 2 и 3 теоретических результатов для расчета основных параметров движения неньютоновских жидкостей в канале между валками с использованием клина и траектории газовых пузырей в канале между клином и валком.
В качестве основного технологического параметра процесса каландрования было выбрано распределение давления. Величина давления в ходе эксперимента регистрировалась в канале между клином и валком. По степени расхождения экспериментальных значений давления и теоретических значений, полученных во второй главе диссертации, оценивалась достоверность предложенной математической модели. Кроме определения экспериментальных значений давления в ходе исследований было оценено влияние клинового устройства на степень дегазации промышленных резиновых смесей в процессе каландрования.
Достоверность полученных в третьей главе диссертации теоретических результатов оценивалась путем сравнения их с траекториями пузырей и скоростями их движения в канале между клином и валком, полученными в ходе экспериментальных исследований. Кроме того, в ходе проведения экспериментов было рассмотрено качественное поведение газовоздушных включений в канале между клином и валком в зависимости от технологических параметров процесса и геометрии зоны деформации.
Для экспериментальных исследований на пятивалковой установке выбрана промышленная резиновая смесь на основе изопренового каучука, применяемая при получении листовых резиновых заготовок, и резиновая смесь на основе хлорбутилкаучука для изготовления гермослоя промышленных шин.
| Рис.4.1. Распределение давления в зоне деформации. | При проведении эксперимента по изучению движения воздушных пузырей были выбраны модельные среды, которые обладают ньютоновскими и упруговязкими свойствами:глицерин, 3%- и 6%-ные растворы полиакриламида в воде. |
Результаты измерения давления показали, что расхождение между теоретическими результатами и опытными данными не превышает 8% (рис.4.1), что говорит об адекватности математической модели реальному процессу. Сравнение теоретических расчетов с результатами экспериментов, полученными на одновалковой установке, показывает их хорошее качественное совпадение (рис.4.2). Оценка влияния клинового устройства на степень дегазации перерабатываемого материала показала, что дефектность листовых заготовок при
| Рис.4.2. Траектория пузырька в канале между клином и валком. | использовании клина уменьшается в 2,1-2,2 раза по сравнению с обычным процессом без клинового устройства. В результате проведения опытов на экспериментальной одновалковой установке было установлено, что воздушные пузыри отстают в своем движении от окружающей |
среды, причем степень отставания в вязкоупругой жидкости больше, чем в ньютоновской. Данный факт объясняется как увеличением вязкости среды, так и возникновением смещающей боковой силы, вызванной нормальными напряжениями, присутствующими в сдвиговом потоке вязкоупругой жидкости. Как и предсказывалось предложенной математической моделью, воздушные пузыри смещаются поперек линиям тока жидкости и перемещаются к неподвижной стенке клина. Кроме того, было установлено, что пузыри большего диаметра быстрее выходят из зоны деформации, что совпадает с результатами математической модели. Эти факты позволяют говорить о том, что теоретическая модель движения пузырей адекватна реальному процессу.
Оценка влияния технологических параметров процесса на картину движения воздушных пузырей показала, что увеличение скорости вращения валка и минимального зазора ведет к ухудшению сепарации пузырей из зоны деформации; существует оптимальная величина зазора между клином и валком, позволяющая вести процесс с наилучшими показателями по степени дегазации среды.
В следующих главах диссертации исследуются основные причины неустойчивого течения экструдата.
В пятой главе представлены результаты анализа одной из причин неустойчивого течения экструдата: образование застойных зон в угловых областях формующей головки экструдера. Рассматривается изотермическое течение вязкоупругой жидкости во входном канале формующей головки экструдера (рис.5.1). Втекающая в головку жидкость имеет полностью развитый профиль, затем входит в головку экструдера, характеризуемую резким сужением потока, и далее движется в плоской щели или в цилиндрическом капилляре. На твердых стенках выполняется условие прилипания, на выходе из канала задаются условия установившегося потока. Для описания вязкоупругих свойств жидкости была выбрана релаксационная модель Максвелла- B (UCM), предсказывающая упругие свойства жидкости:
| Рис.5.1. Схема канала с резким сужением |  , (5.1) где - время релаксации, - вязкость,  - тензор скоростей деформации,  - верхняя конвективная производная. В этом случае уравнения движения запишутся в виде: |
Граничные условия поставлены в соответствие с описанием математической модели процесса.
Для моделирования течения расплава полимера в зоне насадки экструдера были использованы две расчетные схемы процесса: одна схема (рис.5.1) представляет собой канал, характеризующийся резким сужением; другая схема характеризуется плавным переходом из широкой части канала в узкую часть, являющуюся элементом формообразующей насадки.
Расчеты проводились методом контрольных объемов с использованием модифицированного алгоритма SIMPLER. При написании источниковых членов была применена схема расщепления напряжений на вязкоупругую и вязкую части:
;
;
.
Здесь 
обозначает вязкоупругую часть тензора напряжений. Вся расчетная область делится на контрольные объемы. Узловые точки располагаются в геометрических центрах этих контрольных объемов. Узловые точки для давления расположены в центрах основной сетки. Для продольной и поперечной компонент скорости применена шахматная сетка. Сетка для продольной компоненты скорости сдвинута вправо, узловые точки поперечной компоненты скорости лежат на правых гранях контрольных объемов для давления. Сетка для поперечной компоненты скорости сдвинута вверх, узловые точки лежат на верхних гранях контрольных объемов для давления. Расчеты проводились на четырех различных сетках, соответствующих различной форме расчетной области и характеризующихся переменным шагом и различным количеством узлов. Расчеты проведены для различных чисел Деборы (
, где 
- время релаксации напряжений; 
- характерное время процесса) в интервале от нуля до пяти и для постоянного значения числа Рейнольдса Re=0.05. На рис.5.2-5.3 приведены данные по численному моделированию течения жидкости UCM в плоском канале при значении числа Деборы De=2.0. Из этих рисунков можно видеть, что сглаживание входного участка приводит к некоторому уменьшению размеров области циркуляционного течения при небольших значениях времени релаксации напряжения. Данный вывод четко прослеживается на рис.5.4, на котором приведены также данные по экспериментальному исследованию зависимости размеров циркуляционной области для 2,5% раствора полиизобутилена и полибутена в декалине
Рис.5.2.Контуры линий тока в канале Рис.5.3.Контуры линий тока в канале
со ступенчатым сужением. со скругленным сужением.
 Рис.5.4.Зависимость безразмерной области циркуляционного течения от числа Деборы. 1 - результат моделирования для входа с острой кромкой; 2 - результат моделирования для входа со сглаженной кромкой; – экспериментальные данные для входа с острой кромкой; – экспериментальные данные для входа со сглаженной кромкой. |  Рис.5.5. Зависимость интенсивности вихревого течения от числа Деборы. 1- результат моделирования для входа с острой кромкой; 2 - результат моделирования для входа со сглаженной кромкой. – экспериментальные данные для входа с острой кромкой; – экспериментальные данные для входа со сглаженной кромкой. |
[D.V.Boger, M.J.Crochet, R.A.Keller, J.Non-Newtonian Fluid Mech. – 1994. – v.52. – p.153-161.], хорошо описываемого конститутивной реологической мо-
делью типа UCM. Полученные в настоящем исследовании теоретические результаты удовлетворительно согласуются с представленными экспериментальными данными.
Так как одной из целей настоящего исследования являлся анализ влияния неньютоновских свойств жидких полимерных материалов на размеры и форму циркуляционной зоны вблизи входного участка формующей головки экструдера, то получена зависимость интенсивности течения в вихревой области от числа Деборы. С этой целью введена безразмерная величина, имеющая смысл интенсивности вихревого течения в зоне циркуляционного потока:
, где 
- значение функции тока в ядре циркуляционной области; 
- значение функции тока на оси канала. Из рисунков (5.4-5.5) следует, что упругие свойства экструдата заметно влияют на размеры и интенсивность циркуляционной области.
Для исключения образования вихревых зон на входе в формующую головку экструдера впервые предлагается использовать естественный входной профиль, определяемый нулевой линией тока. Следует отметить, что для каждой рецептуры исходной полимерной смеси и для каждого технологического режима переработки полимеров необходимо рассчитывать свой естественный входной профиль; любое отклонение от него приведет к браку изделия.
В шестой главе представлены результаты анализа второй причины неустойчивого течения экструдата: образование радиальной температурной неоднородности экструдата. Рассматривается сужающееся течение вязкоупругой жидкости в условиях неизотермичности. Для описания вязкоупругих свойств жидкости была выбрана реологическая модель Фан-Тьен-Таннера.
Основные уравнения, описывающие медленное установившееся неизотермическое течение в отсутствии внешних сил, записываются в виде:
, (6.1) 
, (6.2)
, (6.3)
, (6.4)
где
-плотность;
-удельная внутренняя энергия;
тепловой поток; 
; 
- время релаксации; 
; 
; 
неньютоновская составляющая вязкости; 
- материальный параметр, определяющий поведение реологической модели Фан-Тьен-Таннера.
Учитывая влияние вязкоупругих свойств жидкости на процесс диссипации энергии, запишем уравнение энергии (6.3) в виде:
, (6.5)
где коэффициент 
определяет влияние упругости жидкости на величину объемного источника тепла: 
соответствует случаю упругого поведения жидкости, 
- случаю вязкой диссипации механической энергии.
В работе считается, что наибольшая кинематическая вязкость и время релаксации напряжений зависят от температуры согласно WLF соотношениям:
, (6.6)
где
и
- вязкость и время релаксации при заданной опорной температуре. Коэффициент 
, в соответствии с законом WLF, определяется из соотношения 
. Коэффициенты 
и 
имеют следующие значения: 
и 
. Граничные условия поставлены в соответствие с описанием математической модели процесса: в верхней области потока жидкость имеет полностью развитый профиль, затем входит в насадку экструдера, характеризующуюся резким сужением, и далее движется в цилиндрическом капилляре. На твердых стенках выполняется условие прилипания. На выходе из канала задаются условия установившегося потока.
На рис.6.1 представлены полученные численно изотермы при течении упруговязкой жидкости при различных значениях числа Вайссенберга (
, где 
- характерная скорость, 
- характерный линейный размер) и заданной температуре стенки, равной 462К. Анализ изотерм показывает заметное влияние упругости жидкости на распределение температуры. Пиковые значения температуры при этом практически не изменяются. Эти искажения связаны с наличием более мощных циркуляционных структур, образующихся в угловых зонах с внешней стороны сходящегося потока. Как показывают расчеты, рост циркуляционных течений связан с ростом пиков напряжений и их перемещением от стенок и вверх по потоку.
Расчеты показывают, что влияние упругости жидкости сказывается только вблизи области сужения и приводит к образованию и росту пиков функции теплового источника, что, в свою очередь, приводит к скачкообразному росту температуры вблизи сужения. Как следует из результатов расчетов, учет упругих эффектов приводит к некоторому сглаживанию резкого скачка температуры в точке сужения потока, характерного для случая необратимой вязкой диссипации механической энергии потока. В дальнейшем, при продвижении по потоку разница между температурами, рассчитанными для двух предельных случаев 
и 
, уменьшается до нуля.
We=0 We=3.0
Рис.6.1. Изотермы при различных значениях числа Вайссенберга.
Одним из результатов, полученных в данной работе, является предсказание величины градиента температуры в поперечном сечении экструдата на выходе из формующей головки.
Температурная неоднородность является негативным фактором при переработке полимерных материалов. С целью уменьшения этого градиента температуры проведены расчеты теплового источника и поперечного распределения температуры при нагреве и охлаждении узкой части исследуемого канала (рис.6.2).
Рис.6.2. Распределение значения функции теплового источника (а) и распределение температуры в выходном сечении канала (b)
Как показали расчеты, нагрев узкой части канала уменьшает поперечный градиент температуры в выходном сечении: например, увеличение температуры только на 100 с 462К до 472К уменьшает температурный перепад почти вдвое, с 180 до 100.
Таким образом, определенный нагрев узкой части канала формующей головки приводит к уменьшению температурной неоднородности экструдата в выходном сечении канала и является инструментом для улучшения качества получаемых изделий. Величина нагрева определяется комплексом свойств перерабатываемого материала.
В седьмой главе представлены результаты анализа третьей причины, влияющей на устойчивое течение экструдата: периодическое проскальзывание экструдата вблизи выходного сечения формующей головки. Рассматривается неизотермическое течение вязкоупругой жидкости на выходе из головки экструдера с учетом конфигурации макромолекул. Считается, что втекающая в головку жидкость имеет полностью развитый профиль. На стенках головки экструдера использованы граничные условия прилипания, на свободной поверхности тангенциальные напряжения равны нулю или сбалансированы термокапиллярными силами, нормальные напряжения сбалансированы поверхностным натяжением, применено условие непроницаемости и симметрии на осевой линии канала. Для описания вязкоупругих свойств жидкости была выбрана модель Фан-Тьен-Таннера. Микроструктура расплава, определяемая степенью распутывания и частичной ориентацией макромолекул, характеризуется тензором конфигурации. Степень ориентации (степень образования ориентированных в одном направлении макромолекул) обычно определяется тензором ориентации по формуле 
, где 
- единичный вектор, имеющий направление вытянутой макромолекулы; 
- единичный тензор. Скалярный параметр, определяющий ориентацию макромолекул, определяется в терминах инварианта тензора ориентации
. В работе использовалось свойство пропорциональности величины 
разности главных напряжений. Температурная зависимость вязкости полимера определяется уравнением Аррениуса-Френкеля.
Задача решалась методом контрольного объема. В результате численного моделирования были определены: форма вытекающей из фильеры струи, распределение температуры и напряжений в струе и распределение степени ориентации макромолекул с учетом влияния термокапиллярной конвекции (
) и конвективной теплоотдачи в окружающую среду (
, где число
характеризует теплоотдачу со стороны жидкости в окружающий газ).
| Рис.7.1. Форма вытекающей из капилляра струи. 1-без учета термокапиллярной конвекции;2- с учетом влияния термока- пиллярной конвекции; De=1.0. | Из рис.7.1-7.3 видно, что учет влияния термокапиллярной конвекции оказывает заметное влияние на форму экструдата. При этом изменяется как степень разбухания, так и местоположение максимума толщины экструдата. Различия особенно заметны на расстоянии пяти характерных размеров щели (пять толщин). |
Также хорошо видно, что термокапиллярная конвекция несколько увеличивает область максимального значения функции 
(степени ориентации макромолекул) на свободной поверхности вблизи выходного сечения капилляра. При этом термокапиллярная конвекция заметно искажает общую картину распределения степени ориентации макромолекул в струе расплава. Рост степени ориентации происходит в основном в пристенной области течения расплава, причем максимальный рост степени ориентации происходит вовсе не во всей пристенной области, а только в довольно узкой зоне течения, располагающейся вблизи выходного сечения. При этом повышенная степень ориентации макромолекул распространяется и на небольшую область приповерхностного слоя экструдата. Это может свидетельствовать о существенном
 Рис.7.2.Распределение степени ориентации макромолекул в потоке расплава вблизи формующей головки экструдера. Термокапиллярный эффект не учтен. |  Рис.7.3.Распределение степени ориентации макромолекул в потоке расплава вблизи формующей головки экструдера с учетом термокапиллярного эффекта. |
влиянии пиков напряжений на положение пиков степени ориентации макромолекул. Анализ рис. 7.1-7.3 показывает, что учет температурной зависимости поверхностного натяжения заметно увеличивает как степень расширения экструдата, так и смещение осевой координаты максимума расширения вниз
по потоку. Данная ситуация не может не учитываться при проектировании технологических линий в шинной промышленности. Учет температурной зависимости поверхностного натяжения приводит к заметному росту степени ориентации в выходном сечении канала. Проскальзывание начинается именно в этой зоне и только потом, с ростом напряжений, распространяется вглубь экструзионной головки. Поэтому зона, расположенная в непосредственной близости от выхода из экструзионной головки, является наиболее опасной для возникновения эластической турбулентности.
Полученные данные показывают, что подогрев узкой части формующей головки приводит к уменьшению степени ориентации макромолекул вблизи выходного сечения экструзионной головки. Полученный эффект может быть объяснен следующим образом. Нагрев узкой части головки приводит к уменьшению вязкости расплава полимеров и к ослаблению влияния упругости жидкости, что должно приводить к соответствующему уменьшению вязких напряжений вблизи выходного сечения экструзионной головки.
Таким образом, подогрев узкой части формующей головки является инструментом для уменьшения степени ориентации макромолекул и образования надмолекулярных структур вблизи выходного сечения экструзионной головки. Величина участка нагрева и степень нагрева экструзионной головки определяется по местоположению и величине пиков образующихся пристенных напряжений.
В восьмой главе представлены результаты анализа четвертой причины неустойчивого течения экструдата: образование пиков напряжений и давления в выходном сечении формующей головки экструдера. Представлена математическая формулировка задачи течения вязкоупругой жидкости FENE-P в формующей головке экструдера.
Основными уравнениями, описывающими медленное установившееся течение, являются следующие уравнения:
, (8.1)
, (8.2)
где 
– плотность жидкости, 
- вектор скорости, 
- давление, 
-девиатор напряжения.
В соответствие с принципом расщепления напряжений
(8.3) (3)
где 
(8.4) 
(8.5)
(8.6)
Здесь 
- вязкость полимерной составляющей жидкости, 
- вязкость растворителя, 
- характерное время релаксации, 
- безразмерный параметр, характеризующий степень растяжения данной макромолекулы. Верхняя конвективная производная от тензора конфигурации
. (8.7)
Тензор скоростей деформации определяется соотношением
(8.8)
Граничные условия. На границе входа в расчетную область 
задаются профиль скорости и распределение напряжений:
Рис.8.1. Схема расчетной области
На выходе из области течения 
задается установившийся однородный профиль скорости и напряжений: 
На границе 
задаются условия симметрии: 
; на свободной поверхности 
задаются кинематические и динамические условия: 
и 
(8.9)
где 
- единичные векторы нормали и касательной на поверхности 
; 
- коэффициент поверхностного натяжения; 
радиус кривизны свободной поверхности. На линии трехфазного контакта задается также контактный угол смачивания.
Аппроксимация уравнений (8.1)-(8.6) и вычисления проводились методом конечных элементов (МКЭ) второго порядка на нерегулярных сетках, сгущающихся к зоне истечения полимера из насадки. Местоположение деформируемой свободной поверхности находилось из аппроксимации кинематического условия на свободной поверхности.
В результате численного решения поставленной задачи получены распределения скорости, напряжений и давления в расчетной области течения полимерной жидкости. На рис.8.2 показано распределение давлений, нормальных и сдвиговых напряжений для числа We = 1.0 и максимально возможной степени растяжения макромолекул L2=100. Необходимо отметить, что в разных точках области течения степень растяжения макромолекул может быть разной. Она зависит от уровня напряжений в разных точках области течения. Однако гибкие гантели, являющиеся моделью макромолекулы, могут вытянуться не более чем в L2=100 раз. В выходном сечении формующей головки наблюдается резкое увеличение поперечного сечения струи, и только на некотором расстоянии от выхода струя начинает сужаться. Из рис.8.2 также хорошо видно, что вблизи неподвижной линии трехфазного контакта (линии раздела жидкости, твердого тела и окружающей воздушной среды) образуется область больших градиентов нормальных и касательных напряжений или область пиков нормальных и касательных напряжений.
Рис.8.2. Картины течения для 
: изобары давления 
и линии уровня напряжений 
В дальнейшем большие градиенты напряжений сохраняются в приповерхностном слое экструдата, что качественно соответствует существующим численным данным.
В соответствие с эффектом двойного лучепреломления разность главных напряжений 
характеризует степень ориентации макромолекул. Поэтому для анализа степени ориентации макромолекул полимера в потоке использован физический закон пропорциональности тензора напряжений тензору коэффициентов преломления или тензору оптической анизотропии.
На рис. 8.3 приведены результаты расчетов разности главных напряжений. Здесь представлено распределение разности главных напряжений в экструдате вблизи выходного сечения насадки для чисел 
. Видно, что вблизи линии трехфазного контакта развивается максимальная разность главных напряжений 
. Это означает, что эта область является областью максимальной анизотропии оптических свойств экструдата, что является следствием максимальной степени ориентации макромолекул. Причем ориентация макромолекул практически отсутствует только на оси канала. Из рис.8.3 хорошо видно, что на линии трехфазного контакта появляется пик напряжения. Перед сечением выхода образуется зона с пониженным значением 
.
. 
Рис.8.3. Распределение разности главных напряжений 
a) 
, b) 
Таким образом, нами установлено, что в тех местах, где анизотропия максимальна будет максимальной и ориентация макромолекул. Повышенная степень ориентации макромолекул может приводить к периодическому проскальзыванию ориентированных участков макромолекул.
В дальнейшем проанализировано влияние постоянного проскальзывания экструдата вблизи выходного сечения формующей головки на течение экструдата вблизи выходного сечения экструзионной головки.
В результате проведенного численного моделирования процесса течения жидкости в канале формующей головки с учетом постоянного проскальзывания получены распределения разности главных напряжений, осевой компоненты скорости, нормальных и касательных напряжений.
Показано, что для предупреждения образования застойной области вблизи выходного сечения экструзионной головки и уменьшения пиков напряжений можно допустить некоторое постоянное проскальзывание экструдата по внутренней поверхности формующего инструмента. В работе показано, что скольжение экструдата вблизи выходного сечения уменьшает разность главных напряжений 
, что свидетельствует об уменьшении степени ориентации макромолекул, а также снижает пики напряжений в окрестности линии трехфазного контакта. Однако при этом образуется дополнительная особая точка, расположенная вблизи твердой стенки и разделяющая области прилипания и скольжения. В этой новой особой точке образуются пиковые напряжения, способные стать дополнительным фактором, приводящим к разрушению экструдата. Поэтому имеет смысл допускать проскальзывание по всей внутренней поверхности формующего инструмента. В этом случае на линии трехфазного контакта пики напряжений заметно снижаются, а дополнительная особая точка не образуется.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
Практическое освоение новых технологий и модернизация существующего оборудования требуют детального изучения течений вязкоупругих жидкостей в рабочих каналах оборудования с учетом особенностей, накладываемых неньютоновскими свойствами жидкостей. В соответствие с этим в работе изучены основные механизмы, влияющие на качество конечной продукции химической технологии. Исследованы процессы движения неньютоновских жидкостей в канале между вращающимися валками с использованием клинового устройства, процессы миграции газовых пузырьков в неньютоновских средах, движущихся в каналах различного профиля, процессы движения неньютоновских жидкостей в зоне насадки экструдера и на выходе из нее и сформулированы рекомендации по проведению процессов и модернизации существующего оборудования с целью уменьшения брака в получаемых изделиях.
В результате проведенных систематических исследований показано, что наличие межфазной границы и линии трехфазного контакта позволяет объединить различные процессы в рамках единой проблемы, объяснить многие экспериментальные факты, а также по новому взглянуть на процессы, связанные с переработкой полимерных материалов, в том числе и в шинной промышленности.
При моделировании течения неньютоновской жидкости установлено, что упругость жидкости вносит существенные коррективы в течение жидкости в рабочих каналах каландров и экструдеров. Поэтому для получения точных расчетных соотношений кинематических и энергосиловых параметров каландрования и экструзии полимерных материалов необходимо учитывать в математических моделях упругие свойства перерабатываемого материала.
На основании полученных в работе результатов можно сделать следующие общие выводы.
Газовый пузырек, находящийся в потоке жидкости, смещается в направлении уменьшения скорости сдвига: в направлении неподвижной стенки для сдвиговых потоков, в направлении осевой линии канала в Пуазейлевом течении и в направлении неподвижной поверхности клина. Установленный и доказанный с помощью теоретических и экспериментальных исследований механизм миграции газового пузырька позволяет с помощью полученных в работе теоретических соотношений рассчитать такие режимные и конструктивные параметры процесса, которые обеспечивают наиболее быстрый выход пузырей из зоны деформации.
Форма и размеры области течения в угловых зонах формующей головки экструдера существенно зависят от упругих свойств жидкости: размеры циркуляционной области растут с увеличением упругости при постоянном расходе. Зона циркуляции является источником возмущений потока; смешивание основного и циркуляционного потоков может приводить к ухудшению однородности механических свойств изделий, что является нежелательным явлением в производстве изделий химической промышленности.
В результате преобразования части механической энергии в тепловую возникает поперечный градиент температуры в выходном сечении формующей головки экструдера, который существенным образом зависит как от реологических свойств жидкости, так и от температурной зависимости этих свойств. Эта температурная неоднородность приводит к образованию физической по свойствам, а в некоторых случаях и химической неоднородности, образующейся в результате преждевременной полимеризации (подвулканизации) смеси в формующей головке. Это явление неизбежно сказывается на качестве получаемой продукции.
Рост степени ориентации макромолекул происходит в основном в пристенной области течения жидкости и приводит к проскальзыванию экструдата вдоль твердых границ формующего канала головки экструдера и образованию эластической турбулентности, причем максимальный рост степени ориентации происходит не во всей пристенной области, а только в узкой зоне течения, располагающейся вблизи выходного сечения.
Линия трехфазного контакта характеризуется большими градиентами давления и напряжений, скачком продольной компоненты скорости течения от нуля на твердой поверхности формующего канала головки до конечной скорости на свободной поверхности экструдата, что приводит к отрыву струи от поверхности формующего канала и разрывам на свободной поверхности экструдата, примыкающей к линии трехфазного контакта. Вблизи линии трехфазного контакта образуется застойная зона, сужающая выходное сечение формующего канала и негативно влияющая на качество экструдата.
Проведенные исследования течения вязкоупругой жидкости в экструзионной головке позволяют сконструировать совершенно новый тип экструзионной головки для выпуска качественной продукции: рассчитать оптимальный профиль формуюшего канала экструзионной головки с учетом линии естественного входного профиля, рассчитать величину участка нагрева и степень нагрева экструзионной головки по местоположению и величине пиков образующихся пристенных напряжений.
Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:
1. Монографии
1. Кутузов А.Г. Основы прикладной реологии полимеров и ее применение для решения технологических задач / А.Г. Кутузов. – Казань: РИЦ «Школа», 2006. – 168 с.
2. Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ
2. Kutuzov A.G. Bewegung viscoelastischer stoffe im spalt zwischen rotierenden Zylindern / A.G. Kutuzov, F.A. Garifullin, V.I. Elizarov, Ernst-Otto Reher. - Plaste und Kautschuk, 1984, Bd.31,N11. - s.418-419.
3. Гарифуллин Ф.А. Математическое моделирование процесса прядения нити из расплава полимера в условиях неизотермичности / Ф.А. Гарифуллин, Ф.Х. Тазюков, А.Г. Кутузов, М.А.Кутузова, А.Ф.Вахитов // Вестник Казанского технологического университета. – Казань: КГТУ, 2002.-№1-2. – С.187-193.
4. Гарифуллин Ф.А. Исследование влияния термокапиллярного эффекта на устойчивость медленно вытекающей струи / Ф.А. Гарифуллин, Ф.Х. Тазюков, А.Г. Кутузов, М.А. Кутузова // Вестник Казанского технологического университета. – Казань: КГТУ, 2003.- №1. – С.93-98.
5. Кутузов А.Г. Исследование формы жидкой пленки, наносимой на твердую подложку / А.Г.Кутузов, Ф.А. Гарифуллин, Ф.Х. Тазюков, Ф.Р. Карибуллина, А.Ф. Вахитов // Вестник Казанского технологического университета. – Казань: КГТУ, 2003.- №1. – С.357-361.
6. Кутузов А.Г. Численное моделирование течения упруговязкой жидкости на выходе из капилляра / А.Г. Кутузов, Ф.А. Гарифуллин, Ф.Х. Тазюков, Ф.Р. Карибуллина, Т. Аль Смади, М.А. Кутузова // Вестник Казанского технологического университета. – Казань: КГТУ, 2003.- №1. – С.362-367.
7. Кутузов А.Г. Выбор конфигурации входного участка формующей головки экструдера. 1.Математическая модель / А.Г. Кутузов // Вестник Казанского государственного технического университета. – Казань: КГТУ, 2007.- №2. – С.49-51.
8. Кутузов А.Г. Выбор конфигурации входного участка формующей головки экструдера. 2.Результаты моделирования / А.Г. Кутузов // Вестник Казанского государственного технического университета. – Казань: КГТУ, 2007.- №3. – С.39-40.
9. Кутузов А.Г. Каландрование полимерных материалов с дисперсной фазой с использованием клинового устройства / А.Г. Кутузов, Э.И. Мазитов, Г.С. Кутузова // Вестник Ижевского государственного технического университета. – Ижевск: ИжГТУ, 2007.- №4(36). – С.9-13.
10. Кутузов А.Г. Сужающееся течение вязкоупругой жидкости в условиях неизотермичности / А.Г. Кутузов // Вестник Ижевского государственного технического университета. – Ижевск: ИжГТУ, 2007.- №4(36). – С.52-55.
11. Кутузов А.Г. Неизотермическая экструзия полимеров с учетом ориентации макромолекул / А.Г. Кутузов // Каучук и резина. – 2008.-№1. – С.4-6.
12. Кутузов А.Г. Возможности учета ориентации макромолекул при описании экструзии резиновых смесей / А.Г. Кутузов // Каучук и резина. – 2008.-№1. – С.7-9.
13. Кутузов А.Г. Влияние температуры и скорости на экструзию полимеров / А.Г. Кутузов // Каучук и резина. – 2008.-№1. – С.10-12.
14. Кутузов А.Г. Моделирование течения вязкоупругой жидкости в плоском щелевом канале с учетом термокапиллярной конвекции / А.Г. Кутузов // Вестник Ижевского государственного технического университета. – Ижевск: ИжГТУ, 2008.- №1(37). – С.43-47.
15. Кутузов А.Г., Экструзия полимерных материалов с учетом пристенного скольжения и явлений на линии трехфазного контакта / А.Г. Кутузов, М.А. Кутузова // Вестник Ижевского государственного технического университета. – Ижевск: ИжГТУ, 2008.- №1(37). – С.57-60.
16. Кутузов А.Г. Неизотермическое течение вязкоупругой жидкости в фильерах экструдеров / А.Г. Кутузов // Вестник Казанского государственного технического университета. – Казань: КГТУ, 2008.- №2. – С.39-40.
17. Кутузов А.Г. Об эффекте разбухания экструдата при истечении из ступенчатой формующей насадки / А.Г.Кутузов, Б.А.Снигерев, Г.Н. Лутфуллина, Ф.Х. Тазюков, Г.С. Кутузова // Вестник Ижевского государственного технического университета. – Ижевск: ИжГТУ, 2009.- №1(41). – С.30-32.
18. Кутузов А.Г. Проявление неньютоновского эффекта при обтекании сферы ползущим потоком высоковязкой полимерной жидкости / А.Г. Кутузов, Б.А. Снигерев, М.А. Кутузова, Г.Н. Лутфуллина, Ф.Х. Тазюков // Вестник Казанского государственного технического университета. – Казань: КГТУ, 2009.- №1. – С.48-50.
3. Публикации в других изданиях
19. Кутузов А.Г. Метод решения уравнений движения упруговязкой среды в зазоре между вращающимися валками / А.Г. Кутузов, В.И. Елизаров // Расчет и конструирование машин по переработке каучуков и полимеров. – Ярославль: ЯрПИ, 1985. - С.43-51.
20. Мазитов Э.И. Гидродинамика процесса течения вязкоупругих материалов в рабочих органах валковых машин с клиновыми приспособлениями / Э.И. Мазитов, А.Г. Кутузов, Ф.А. Гарифуллин // Массообменные процессы и аппараты химической технологии. – Казань: КХТИ, 1989. – С.44-52.
21. Кутузов А.Г. Течение упруговязких сред в валковом зазоре с использованием профилей различной геометрии А.Г. Кутузов, Е.Ф. Кожанов, Н.М. Рухлядцева, В.Н. Красовский, К. Колерт // Тез. докл. XV Всесоюзн. симпозиума по реологии. – Одесса, 1990. – С.109.
22. Кутузов А.Г. Гидродинамика течения вязкоупругой жидкости в межвалковом зазоре с клиновым устройством / А.Г. Кутузов, Э.И. Мазитов, Ф.А. Гарифуллин // Тез. докл. Республиканской научн.-техн. конф. «Наука-производству». – Набережные Челны, 1990. – С.100.
23. Кутузов А.Г. Течение упруговязкой жидкости в межвалковом зазоре с клиновым приспособлением / А.Г. Кутузов, Э.И. Мазитов, Ф.А. Гарифуллин // Тез. докл. II региональной научн.-техн. конф. «Математическое моделирование в процессах производства и переработки полимерных материалов». - Пермь, 1990. - С.18.
24. Кутузов А.Г. Течение упруговязких сред в области деформации валковых машин с клиновыми устройствами / А.Г. Кутузов, Э.И. Мазитов, Ф.А. Гарифуллин // Труды МЭИ. – Казань, 1991. – С.33-39.
25. Кутузов А.Г. Миграция газового пузыря в обобщенном сдвиговом потоке жидкости второго порядка / А.Г. Кутузов, Э.И. Мазитов, Ф.А. Гарифуллин, Ф.Г. Шайхиев // Массообменные процессы и аппараты химической технологии. – Казань: КХТИ, 1991. – С.34-46.
26. Кутузов А.Г. Миграция газового пузыря в обобщенном сдвиговом потоке вязкоупругой жидкости между двумя параллельными стенками и в сходящемся канале / А.Г. Кутузов, Э.И. Мазитов, Ф.А. Гарифуллин, Ф.Г. Шайхиев: Казанский хим.-технол.ин-т. – Казань, 1992. – 10с. – Деп. в филиале НИИТЭХИМа, г. Черкассы. 08.01.92, №19-хп 92.
27. Кутузов А.Г. Движение газового пузыря в обобщенном сдвиговом потоке вязкоупругой жидкости в каналах различного профиля / А.Г. Кутузов, Э.И. Мазитов, Ф.А. Гарифуллин, Ф.Г. Шайхиев // Тез. докл. III региональной научн.-техн. конф. «Математическое моделирование в процессах производства и переработки полимерных материалов». – Пермь, 1992, С.33-34.
28. Кутузов А.Г. Движение газовоздушных включений в потоке вязкоупругой жидкости в межвалковом зазоре / А.Г. Кутузов, Э.И. Мазитов, В.И. Елизаров, Г.С. Кутузова // Тез. докл. научн.-техн. конф. «Математические методы в химии и химической технологии». – Тверь, 1995, С.46.
29. Кутузов А.Г. Метод случайных направлений с самообучением для решения систем нелинейных уравнений и задач проектирования аппаратов химической технологии / А.Г. Кутузов, В.И. Елизаров, С.В. Шарнин, Г.С. Кутузова // Тез. докл. научн.-техн. конф. «Математические методы в химии и химической технологии». – Тверь, 1995, С.34.
30. Кутузов А.Г. Повышение качества шин и резиновых технических изделий / А.Г. Кутузов, Г.С. Кутузова, Э.И. Мазитов // Тез. докл. Международной научн.-техн. конф. «Молодая наука-новому тысячелетию». – Наб.Челны: КамПИ, 1996, С.23.
31. Кутузов А.Г. Миграция газовоздушных включений в потоке вязкоупругой жидкости / А.Г. Кутузов, Э.И. Мазитов, В.П. Дорожкин // Тез. докл. IV конф. по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия-96». – Нижнекамск, 1996, С.168-169.
32. Кутузов А.Г. Моделирование движения газовых пузырей в неньютоновских жидкостях / А.Г. Кутузов, Г.С. Кутузова, Э.И. Мазитов // Материалы научн. конф. «Проблемы нефтехимического и органического синтеза». – Нижнекамск: НХТИ, 1998. – С.15-16.
33. Кутузов А.Г. Численное моделирование течения неньютоновской жидкости на выходе из экструдера / А.Г. Кутузов, Ф.Х. Тазюков, Ф.А. Гарифуллин // Тез. докл. Международной научн.-техн. конф. «Технико-экономические проблемы промышленного производства» (Наб.Челны, 29-30 марта 2000г.). – Наб.Челны, 2000. – С.15.
34. Кутузов А.Г. Миграция газового пузыря в обобщенном сдвиговом потоке вязкоупругой жидкости в каналах различного профиля / А.Г. Кутузов, Г.С. Кутузова, А.А. Нелюбин, С.Ю. Курлыгин, С.Г. Ворожейкин, А.Н. Сарсадских // Сб. докладов 11 симпозиума «Проблемы шин и резинокордных композитов». – М.,2000. – С.33-41.
35. Кутузов А.Г. Влияние термокапиллярного эффекта на устойчивость струи / А.Г. Кутузов // Труды российского национального симпозиума по энергетике. – Казань, 2001. – С.45-51.
36. Кутузов А.Г. Течение упруговязких жидкостей во входном канале формующей головки экструдера А.Г. Кутузов, Г.С. Кутузова, А.А. Нелюбин // Сб. докладов 12 симпозиума «Проблемы шин и резинокордных композитов». – М.,2001. – С.3-12.
37. Кутузов А.Г. Моделирование процессов, происходящих при экструзии неньютоновских жидкостей в условиях неизотермичности / А.Г. Кутузов, Г.С. Кутузова, А.А. Нелюбин, Ф.А. Гарифуллин, Ф.Х. Тазюков // Сб. докладов 13-го международного симпозиума «Проблемы шин и резинокордных композитов». – М.,2002. – С.47-56.
38. Кутузов А.Г. Влияние температурного режима червячной головки на качество экструдата / А.Г. Кутузов, Г.С. Кутузова, А.А. Нелюбин, Ф.А. Гарифуллин, Ф.Х. Тазюков // Материалы VI Международной конференции по интенсификации нефтехимических процессов “Нефтехимия-2002”. - Нижнекамск, 2002. – С.205-207.
39. Гарифуллин Ф.А. Численный анализ процесса экструзии полимерного расплава с учетом неизотермичности / Ф.А. Гарифуллин, Ф.Х. Тазюков, А.Г. Кутузов, М.А. Кутузова, А.А. Нелюбин, А.Ф. Вахитов // Тепломассообменные процессы и аппараты химической технологии. – Казань: КГТУ, 2002. – С.56-68.
40. Кутузов А.Г. Влияние термокапиллярной конвенции на формирование надмолекулярных структур в процессе прядения полимерного волокна / А.Г. Кутузов, Ф.А. Гарифуллин, Ф.Х. Тазюков, Т. Аль Смади, З.Ф. Тазюкова // Тепломассообменные процессы и аппараты химической технологии. – Казань: КГТУ, 2003. – С.36-40.
41. Кутузов А.Г., Исследование сходящихся течений неньютоновских жидкостей / А.Г. Кутузов, Т. Аль Смади, З.Ф. Тазюкова, М.А. Кутузова, А.Ф. Вахитов // Тепломассообменные процессы и аппараты химической технологии. – Казань: КГТУ, 2003. – С.24-35.
42. Кутузов А.Г., Анизотропия оптических свойств расплава полиэтилена LDPE при течении в ступенчатом канале / А.Г. Кутузов, Ф.А. Гарифуллин, Ф.Х. Тазюков, М.А. Кутузова, А.Ф. Вахитов // Тепломассообменные процессы и аппараты химической технологии. – Казань: КГТУ, 2003. – С.21-24.
43. Гарифуллин Ф.А. Анализ результатов исследования течения неизотермических струй неньютоновских жидкостей / Ф.А. Гарифуллин, Ф.Х. Тазюков, А.Г. Кутузов, М.А. Кутузова, А.Ф. Вахитов // Тепломассообменные процессы и аппараты химической технологии. – Казань: КГТУ, 2003. – С.4-9.
44. Гарифуллин Ф.А. Влияние термокапиллярного эффекта на устойчивость струи, вытекающей из капилляра / Ф.А. Гарифуллин, А.Г. Кутузов, М.А. Кутузова, А.Ф. Вахитов // Материалы Межрегиональной научно-практической конференции «Инновационные процессы в области образования, науки и производства». – Нижнекамск, 2004. – С.257-260.
45. Кутузов А.Г. Течение упруговязкой жидкости на выходе из экструдера / А.Г. Кутузов, М.А. Кутузова, Г.С. Кутузова, Ф.А. Гарифуллин // Материалы Межрегиональной научно-практической конференции «Инновационные процессы в области образования, науки и производства». – Нижнекамск, 2004. – С.249-251.
46. Кутузова М.А. Двойное лучепреломление при экструзии расплава полимера / М.А. Кутузова, А.Г. Кутузов, Г.С. Кутузова, Ф.Х. Тазюков // Материалы Межрегиональной научно-практической конференции «Инновационные процессы в области образования, науки и производства». – Нижнекамск, 2004. – С.100-101.
47. Снигерев Б.А. Математическое моделирование течения жидкости FENE-P из экструзионной головки Б.А. Снигерев, А.Г. Кутузов, А. Аль Раваш, Г.Н. Лутфуллина // Материалы VII международной конференции по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия-2005». – Нижнекамск, 2005. – С. 218-219.
48. Тазюков Ф.Х. Влияние ориентации макромолекул каучука в пристенных слоях расплава на качество экструдата / Ф.Х. Тазюков, А.Г. Кутузов, Г.С. Кутузова, М.А. Кутузова // Материалы VII международной конференции по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия-2005». – Нижнекамск, 2005. – С. 87-88.
49. Кутузов А.Г. Неизотермическое течение неньютоновских жидкостей через формообразующую насадку в виде тонкого капилляра / А.Г. Кутузов, М.А. Кутузова, Г.С. Кутузова // Интенсификация химических процессов переработки нефтяных компонентов: Сб. научн. тр. / КГТУ, Казань. – Нижнекамск: ИПЦ. – 2005. – С.91-95.
50. Кутузова М.А. Течение упруговязкой жидкости на выходе из насадки экструдера / М.А. Кутузова, А.Г. Кутузов, Г.С. Кутузова // Интенсификация химических процессов переработки нефтяных компонентов: Сб. научн. тр. / КГТУ, Казань. – Нижнекамск: ИПЦ. – 2005. – С.87-91.
51. Кутузов А.Г. Моделирование процессов движения вязкоупругих жидкостей с дисперсной фазой в межвалковом зазоре с использованием клинового устройства / А.Г. Кутузов, Э.И. Мазитов, Г.С. Кутузова // Интенсификация химических процессов переработки нефтяных компонентов: Сб. научн. тр. / КГТУ, Казань. – Нижнекамск: ИПЦ. – 2005. – С.81-87.
52. Мазитов Э.И. Движение неньютоновских жидкостей в межвалковом зазоре с использованием клинового устройства / Э.И. Мазитов, А.Г. Кутузов, Г.С. Кутузова // Интенсификация химических процессов переработки нефтяных компонентов: Сб. научн. тр. / КГТУ, Казань. – Нижнекамск: ИПЦ. – 2005. – С.78-81.
53. Кутузов А.Г. Основные подходы к построению реологических конститутивных соотношений / А.Г. Кутузов, Р.С. Ильясов, Ф.Х. Тазюков, Ф.А. Гарифуллин, А. Аль-Раваш, Г.Н. Лутфуллина // Тепломассообменные процессы и аппараты химической технологии. – Казань: КГТУ, 2005. – С.52-65.
54. Кутузов А.Г. Использование связи между напряжением и конформацией в технологических задачах / А.Г. Кутузов, Р.С. Ильясов, А.Ф. Вахитов, Ф.Х. Тазюков, А. Аль-Раваш, Г.Н. Лутфуллина // Тепломассообменные процессы и аппараты химической технологии. – Казань: КГТУ, 2005. – С.43-52.
55. Кутузова М.А. Исследование эластического восстановления экструдата. 1.Математическая модель / М.А. Кутузова, Б.А. Снигерев, Ф.Х. Тазюков, А.Г. Кутузов // Материалы межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы образования, науки и производства». – Нижнекамск, 2006. – С.39-41.
56. Кутузова М.А. Движение экструдата вблизи твердой стенки и на линии трехфазного контакта / М.А. Кутузова, Ф.Х. Тазюков, А.Г. Кутузов, Г.С. Кутузова // Сб. трудов ХХ Междунар. науч. конф. «Математические методы в технике и технологиях». – Ярославль, 2007. – Т.1.Секция 1. – С.180-184.
57.Снигерев Б.А. Течение упруговязкой жидкости со свободной поверхностью / Б.А. Снигерев, Ф.Х. Тазюков, А.Г. Кутузов, А. Аль-Раваш // Вестник Казанского технологического университета. – Казань: КГТУ, 2007.- № 1. – С.85-93.
Соискатель А. Г. Кутузов
