научная статья по теме ФОНТАНИРУЮЩЕЕ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ ТЕЧЕНИЕ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ ПРИ ЗАПОЛНЕНИИ КРУГЛОЙ ТРУБЫ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ФОНТАНИРУЮЩЕЕ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ ТЕЧЕНИЕ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ ПРИ ЗАПОЛНЕНИИ КРУГЛОЙ ТРУБЫ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2014, том 48, № 6, с. 677-684

УДК 532.517

ФОНТАНИРУЮЩЕЕ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ ТЕЧЕНИЕ ВЯЗКОЙ ЖИДКОСТИ ПРИ ЗАПОЛНЕНИИ КРУГЛОЙ ТРУБЫ © 2014 г. Е. И. Борзенко, О. Ю. Фролов, Г. Р. Шрагер

Томский государственный университет frolov@ftf.tsu.ru Поступила в редакцию 07.11.2013 г.

Исследуется фонтанирующее течение вязкой жидкости, реализующееся при заполнении круглой трубы. Математическую основу рассматриваемого процесса образуют уравнения движения, неразрывности и энергии с соответствующими начальными и граничными условиями с учетом зависимости вязкости от температуры, наличия свободной границы и диссипации механической энергии. Для численного решения задачи используется конечно-разностный метод. Приводятся результаты параметрических исследований кинематических характеристик потока в зависимости от определяющих безразмерных критериев. Показаны картины течения для постановок задач с различными граничными и начальными условиями. Представлены распределения скорости и температуры в разных сечениях трубы, характеристики формы свободной поверхности. Продемонстрированы разделение потока на зону пространственного течения в окрестности свободной поверхности и одномерное течение вдали от нее, изменение формы свободной границы в зависимости от уровня дис-сипативного разогрева.

Ключевые слова: круглая труба, заполнение, фонтанирующее течение, диссипативный разогрев, метод расчета, кинематика.

Б01: 10.7868/80040357114060013

ВВЕДЕНИЕ

Процесс заполнения емкостей жидкостью широко реализуется в технологических процессах различных отраслей промышленности. В частности, в производстве изделий из полимерных композиций методом литья под давлением осуществляется заполнение пресс-форм полимерной жидкостью. Фонтанирующим течением принято называть движение среды в окрестности поверхности раздела двух несмешивающихся потоков, когда одна жидкость вытесняет другую [1]. Микроструктура изделия, его механические и теплофизические свойства существенно зависят от кинематических, динамических и тепловых характеристик течения, реализуемого при заполнении [2, 3]. В общем случае течение полимерной жидкости при заполнении характеризуется сложным реологическим поведением, неизотермичностью, химическим превращением, наличием свободной поверхности. Учет перечисленных факторов в математической модели для количественного описания заполнения усложняет задачу не только с точки зрения получения ее решения, но и при формулировке и анализе критериальных зависимостей с целью прогнозирования и оптимизации процесса. В этой связи для детального исследования эффектов того или иного фактора в рассматривае-

мом процессе целесообразно в математической модели ограничиться учетом выбранного фактора.

За последние десятилетия было предпринято множество попыток качественного и количественного описания процесса заполнения, реализуемого при переработке полимерных композиций методом литья под давлением. При этом в большинстве случаев математические модели не учитывают все перечисленные особенности процесса.

В работах [4, 5] подробно обсуждается состояние проблемы на тот момент времени. Проводится анализ экспериментальных и теоретических исследований течения при заполнении в плоском и осесимметричном приближениях. Математическое моделирование использует приближенные и численные методы решения сформулированных задач. В [4, 6] отмечается, что при заполнении канала можно выделить две зоны течения: зона одномерного течения на достаточном удалении от свободной поверхности и зона фонтанирующего течения в окрестности свободной поверхности. Современный уровень исследования эволюции свободной поверхности и характеристик фонтанирующего течения обсуждается в работе [7]. Отмечается, что к настоящему времени существуют эффективные численные методы расчета течений

Рис. 1. Область решения.

жидкости со свободной поверхностью, такие как ЛЬЕ-метод [8], VOF-метод [9], метод функции уровня [10], метод конечных элементов. Использование современных численных методов позволяет реализовывать адекватные математические модели и более точно предсказывать эволюцию свободной поверхности и детали фонтанирующего течения. В статье [7] демонстрируется влияние инерции, гравитации, сжимаемости, поверхностного натяжения и условий скольжения на стенке на форму свободной поверхности, картину течения при заполнении плоского канала и круглой трубы. ?

Неизотермичность процесса заполнения емкостей полимерной жидкостью обусловливается диссипацией энергии в потоке, химическими превращениями, условиями теплообмена на границах. Интенсивность вязкой диссипации, как механического источника тепла, определяется вязкостью среды и значениями составляющих тензора скоростей деформаций. Соответствующее изменение температуры приводит к изменению вязкости, и, следовательно влияет на кинематические и динамические характеристики потока. В большинстве исследований влияние диссипативного разогрева на температуру жидкости при заполнении емкостей оценивается рассмотрением течений без учета свободной поверхности. Обзор подобных работ представлен в [11, 12]. Имеются работы, в которых исследования проводятся с учетом свободной границы [13—15]. В [15] проводится численное исследование неизотермического заполнения канала реологически сложной жидкостью, в том числе с учетом диссипативного разогрева и наличия свободной границы, с использова-

нием метода конечных элементов и технологии ЛЬЕ-метода для расчета динамики свободной поверхности. Демонстрируются поля температуры, скорости и проводится сравнение с экспериментальными результатами для полиэтилена низкой плотности.

Целью данной работы является исследование влияния диссипативного разогрева на форму свободной поверхности и кинематику фонтанирующего течения при заполнении круглой трубы с использованием оригинального численного метода, позволяющего аппроксимировать естественные граничные условия на явно выделенной свободной границе. Аналогичное исследование для течения при заполнении плоского канала представлено в [16].

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Рассматривается заполнение вертикальной круглой трубы несжимаемой жидкостью в поле силы тяжести с учетом диссипативного разогрева, зависимости вязкости от температуры и наличия свободной поверхности. Область течения изображена на рис. 1. Математическую основу описания течения образуют уравнения движения, неразрывности и энергии, записанные в безразмерных переменных в цилиндрической системе координат [17]:

Яе + (V • V) у) = -Ур + V • (2ВЕ) + ^т, (1) V • V = 0, (2)

Ре (|0 + (V • V) е) = А0 + С1а2Би12. (3)

Зависимость вязкости от температуры описывается выражением, являющимся безразмерным аналогом уравнения Рейнольдса [18]:

В = е "С20. (4)

Здесь V — безразмерный вектор скорости; р — безразмерное давление; ? — безразмерное время; W = {0, '} — безразмерный вектор; 9 = (Т — — Т0)/Т0 — безразмерная температура; Т, Т0 — температура жидкости в потоке и на твердой стенке соответственно; 12 = в в — безразмерный второй инвариант тензора скоростей деформаций Е; V, А — дифференциальные операторы [17]; Re = р ЦЬ/ц — число Рейнольдса; ' = рgL2/цU — параметр, характеризующий отношение гравитационных и вязких сил; Ре = срЦЬ/Х — число Пекле; С1 = = цЦ2/ХТ0 — безразмерный параметр, характеризующий соотношение диссипативного разогрева и кондуктивного переноса тепла; С2 = аТ0 — безразмерный параметр экспоненциальной зависимости вязкости от температуры; р — плотность; ц — вязкость при температуре Т0; g — ускорение силы тяжести; а — константа; с — теплоемкость; X — коэффициент теплопроводности.

g

В качестве масштабов обезразмеривания выбраны следующие величины: длины — радиус трубы L; скорости — среднерасходная скорость во входном сечении U; давления — величина цU/L, вязкости — вязкость ц.

На входной границе T задаются распределения скорости и температуры в соответствии с используемой физической постановкой:

v, = 0, v, = fir), 0 = фг). (5)

На твердой стенке Г2 выполняется условие прилипания, а температура совпадает с температурой стенки:

vr = 0, v, = 0, 0 = 0. (6)

На оси симметрии Г3 выполняются условия симметрии:

vr = 0, ^ = 0, д-Р = 0, & = 0. дг дг дг На свободной поверхности Г4 (рис. 1) в качестве граничных условий используются отсутствие касательного напряжения, равенство нормального внешнему давлению, которое без ограничения общности можно считать равным нулю, нулевой тепловой поток:

+ ^ = 0, p = 2В^, 50 = 0. (8)

ds dn dn dn

Условия (8) записаны в локальной декартовой системе координат, нормально связанной со свободной поверхностью. Движение свободной границы Г4 осуществляется в соответствии с кинематическим условием, которое в лагранжевом представлении записывается в виде

(7)

dr d,

— = v r, — = v,.

dt dt

(9)

Силы поверхностного натяжения не учитываются. В начальный момент времени труба частично заполнена жидкостью и свободная поверхность расположена на достаточном удалении от входной границы Г4, чтобы исключить ее влияние на характер течения в окрестности последней. Начальное поле скорости и температуры соответствует физической постановке задачи.

МЕТОД РЕШЕНИЯ

Для численного решения сформулированной задачи применяется конечно-разностный метод [19]. Метод базируется на использовании метода инвариантов для расчета характеристик течения на свободной поверхности [20] и методе SIMPLE для расчета искомых переменных во внутренних узлах разнесенной сетки [21]. При этом значения скоростей и температуры вычисляются с применением экспоненциальной и противопоточной схем соответственно. Согласно [20], первое из условий (8) записывается совместно с уравнением неразрывности, что позволяет использовать

схемы бегущего счета для вычисления составляющих скорости частиц-маркеров на свободной границе. Соответствующие значения давления и температуры вычисляются из разностных аналогов второго и третьего условий из (8) соответственно. Эволюция свободной поверхности определяется из разностных аналогов условия (9) с использованием схемы Эйлера. Тестирование методики расчета проводилось на задаче течения жидкости в круглой трубе

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком