научная статья по теме ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ УСЛОВИЙ СУЩЕСТВОВАНИЯ РЕШЕНИЙ СО СЛАБЫМ РАЗРЫВОМ ДЛЯ ПРОСТЕЙШИХ ТЕЧЕНИЙ ВЯЗКОУПРУГИХ ЖИДКОСТЕЙ Физика

Текст научной статьи на тему «ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ УСЛОВИЙ СУЩЕСТВОВАНИЯ РЕШЕНИЙ СО СЛАБЫМ РАЗРЫВОМ ДЛЯ ПРОСТЕЙШИХ ТЕЧЕНИЙ ВЯЗКОУПРУГИХ ЖИДКОСТЕЙ»

МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 5 • 2014

УДК 532.5.01

ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ УСЛОВИЙ СУЩЕСТВОВАНИЯ РЕШЕНИЙ СО СЛАБЫМ РАЗРЫВОМ ДЛЯ ПРОСТЕЙШИХ ТЕЧЕНИЙ ВЯЗКОУПРУГИХ ЖИДКОСТЕЙ

© 2014 г. Д. В. АНАНЬЕВ, Е. К. ВАЧАГИНА, А. И. КАДЫЙРОВ, А. А. КАЙНОВА,

Г. Т. ОСИПОВ

Казанский научный центр РАН, Исследовательский центр проблем энергетики, Казань e-mail: evachagina@mail.ru, anastasiya-kaynova@mail.ru, dima211083@yandex.ru

Поступила в редакцию 12.11.2013 г.

Приведены условия возникновения слабых тангенциальных разрывов профиля скорости при изотермическом течении вязкоупругих сред Фан-Тьен—Таннера в плоскощелевых каналах и круглых трубах.

Ключевые слова: вязкоупругая жидкость, неньютоновское течение, аналитическое решение, реологическое уравнение состояния, реологическая модель Фан-Тьен—Таннера.

В современной литературе все больше внимания уделяется изучению движения вязкоупругих жидкостей, которые широко применяются в современной промышленности. Несмотря на большое количество публикаций [1—5, 10—14], определение гидродинамических полей является довольно трудной задачей даже в случае простейших течений.

Реологическое поведение вязкоупругих жидкостей достаточно хорошо описывает модель максвелловского типа, разработанная Фан-Тьеном и Таннером [1] на основании теории перестраивающейся сетки через два основных реологических параметра.

Модель Фан-Тьен—Таннера позволяет с высокой точностью прогнозировать аномалию вязкости раствора полимера и наличие продольной вязкости в течениях, обусловленных нормальными напряжениями, хорошо описывает течение полимеров, пластмасс, резиновых смесей, т.е. тех жидкостей, для которых характерно наличие вязко-упругого эффекта [2—5]. К таким жидкостям относятся, например, расплавы полиэтилена низкого давления [6], раствор полиизобутилена в тетрадецене [7—9].

В литературе известны работы [10—14], в которых получены решения задачи течения линейных или упрощенных моделей жидкости Фан-Тьен—Таннера в каналах и трубах. При этом в некоторых случаях возможно возникновение слабых тангенциальных разрывов профиля скорости [10]. Для анализа точного решения задачи течения вязкоупругих жидкостей в плоских каналах и круглых трубах необходимо определение условий возникновения этих разрывов. В настоящей работе получены такие условия в виде неравенств для режимных и реологических параметров при течении жидкости Фан-Тьен—Таннера в плоских каналах и круглых трубах.

1. Решение задачи в плоских каналах. Разработка математической модели течения вязкоупругой жидкости Фан-Тьен—Таннера [1] в плоских каналах осуществлялась при следующих допущениях: гидродинамические процессы имеют изотермический, ста-

ционарный и сформировавшийся характер; течение жидкости ламинарное; эффекты силы тяжести незначительны; жидкость прилипает на стенках каналов. Систему уравнений переноса количества движения и неразрывности будем записывать в декартовой системе координат с горизонтальной осью х, направленной по основному направлению движения, и вертикальной осью у.

При принятых допущениях, очевидно, что компонента скорости Ух и компоненты тензора избыточных напряжений ахх, аху, ауу, не зависят от переменных х и г; компоненты Уг, Уу, аж, ауг равны нулю, а система уравнений, описывающих движение жидкости, имеет вид

0 = дР + 0 = _дР + 0 = _дР

дх ду ду ду дг

где Р — давление. При этом уравнение неразрывности выполняется автоматически. К этой системе необходимо добавить реологическое уравнение состояния Фан-Тьен— Таннера

G = Gy + Gn , G N =

X(DGy/Dt + $ (D • Gy + Gy • D)) + gGy = 2xyD

sX,

(1.1)

= exp

l_Xv

-tr (Gy )

где D = 1/2 (gradV + gradVT) — тензор скоростей деформаций; gradV — тензор градиента скорости; gradVT — транспонированный тензор градиента скорости; X — время релаксации; ц N, M-F, 0 ^^^ 1, s — реологические константы; DoV/Dt = do/dt — о ■ VVT — VV ■ о =

= dа/dt + V о • V - о • V V1 - V V • о — верхняя конвективная производная Олдройда.

Решение заданной системы уравнений ищется в области —h < y < h, где h — половина ширины канала. На границе канала ставились граничные условия прилипания жидкости на стенках. Решение поставленной задачи может быть получено в виде

^xy = Co y, P = Co x + f (y)

Реологическое уравнение состояния в координатном виде может быть записано ®Vzz = 0 > ®Vyz = 0, ®Vxz = 0

\2

dpi k2($(2-2(1

= exp [s Хстр/Цу ] ^0 = (2 - fya 0

°Vxy 2X (1 -ty(dVx/dy)" ^ 2 (1 ,

zk

exp — 00

00

aVyy = '

^0

2 (1 -§)

(1.2) (1.3)

где С 0 = 1Гву = Сухх + Оууу.

Уравнение (1.2) является уравнением, из которого определяется а0 как функция йУ^/йу, а из уравнений (1.3) далее определяются Суху, Сухх, Сууу как функции йУх/йу. Из (1.2)—(1.3) получается следующее выражение для оху

^Г-^ 4 =77^ (( - О + Р ехР (kt))2 (1.4)

MV (1 - f)

где ? = ^ (2о/(2 (1 -!;) Цу)..

Для определения йУх/йу ,УХ используется решение уравнений движения, тогда выражение (1.4) примет следующий вид:

(Со^2 = ТТл ( - t) + P ехр (kt))2

Mf - t)

В полученные выражения вводятся безразмерные величины

h Р H-F 5(2-5)

G ^(2-|)(Со^)2 = ^(2^fW

Hf

F 2 2

к = %(2 - ^Isaxp = %(2 - %)Же*2 h

We* = ^ Fmax — число Вайсенберга, у = dUx, = , Fmax = Fx (0). h dn Fnax

Тогда зависимость у от п может быть представлена в параметрическом виде КГ2 = /1 (-) =

Ол2 = /2 (-) = - 1 - ' + в еХР (к-»

2 (1.5)

(1 - -)

2. Решение задачи в круглых трубах. Разработка математической модели течения вязкоупругой жидкости Фан-Тьен—Таннера [1] в круглых трубах осуществляется при допущениях, аналогичных допущениям в плоских каналах. Система уравнений переноса количества движения и неразрывности записывается в цилиндрической системе координат с горизонтальной осью z, направленной по основному направлению движения. При принятых допущениях очевидно, что компонента скорости Vz и компоненты тензора избыточных напряжений огг, огг, огг, не зависят от переменных z и ф, компоненты Уг, у,, оог^ равны нулю, а система уравнений, описывающих движение жидкости, имеет вид

0 = _дР + д0ж + 0гг ~

дг дг г

0 = _дР +1 д°г1Г дг г дг

0 = _ 1 дР + + 2

гдф дг г

Уравнение неразрывности выполняется автоматически. К этой системе необходимо добавить реологическое уравнение состояния Фан-Тьен—Таннера (1.1). Решение за-

данной системы уравнений ищется в области 0 < r < R, где R — радиус канала. На границе канала ставятся граничные условия прилипания жидкости на стенках. Решение поставленной задачи может быть получено в виде

^ = Cor/2, P = Qz + f (r)

Реологическое уравнение состояния в координатном виде может быть записано как &Vr<p = 0 > О"¥щ = 0 и aVVV = 0

(dVjdr)2 X2 ((2 - C0 - 2(1 - £) \ir/X) = -[exp [бЯ-о/^v] °0 (2.1)

ÜVrz=2x(i -mdvz/dr), ÜVzz = "¿(Г-!)' Gvrr=-(2)

где а 0 = traV = aVrr + aVzz.

Из уравнения (2.1) определяется с0 как функция dVz¡dr, а из (2.2) — cVrz, aVzz, aVrr как функции dVz/dr. Для arz получаем

^^ = ((1 - t) + ßexp(kt))2 (2.3)

mv (1 -1 (

где t = (200/(2 (1 -$) ^ ).

Для определения dVz/dr, Vz используется решение уравнений движения, тогда выражение (2.3) примет следующий вид:

^iM ГС0 „I2 _ _JL_ ((1 -1) + ß exp (kt))2

^ 2r) (1 -1)

В полученные выражения вводятся безразмерные величины

n = L, ß=M, k = 2ё (1 G (2 -^)(C0R )2

R ц/ \ (2 -¡j)' 4MV

к = % (2 - ifiaxtL = %(2 Же*2

^е* = Утах^ — число Вайсенберга, у = —^, = ——, Утах = Уг (0).

^ Утах

Тогда зависимость у от п может быть представлена в параметрическом виде (1.5).

Таким образом, уравнения, определяющие зависимость dVz(ц2)/dr или (п2), являются одинаковыми для плоского канала и круглой трубы. Поэтому все формулы, полученные для плоского канала, справедливы и для круглой трубы, если в них вместо к подставить R, а вместо |С0| подставить |С0| /2.

3. Исследование зависимости скорости сдвига от координаты. Областью изменения параметра t в параметрической зависимости (1.7) является промежуток I е [0;1). Для исследования параметрической зависимости /2 (/1), которая определяет зависимость бП2(ку2), записываем ее производную ¿/2 (0//1 (0 = (/ (О/(?)/dt). Критические точки этой функции можно определить, приравнивая нулю производные функций

/2 ^) и /1 ^)

/2' =-(1 - - +Р ехр (^ ))в(2к- 2 - 2к- - 1)еХР {к!) - (2- 2 - 3- +1} = 0

(1 -')

= _ ехр^к) 2 _ 2к- _ ц = 0 (1 _ -)2

Нули функции /{(х) определяются по формуле (/1')12 = (2к ± V 4к2 + 8к)/4к = = 1/2 ± 1/2у1ГТ2/к и не входят в область определения - е [0;1). Производная функции сохраняет положительный знак при - е [0;1), и зависимостьf1(t) имеет монотонно возрастающий характер.

Для исследования функции используются соотношения (1 - - + в ек-) > 0, к > 0, (1 - -) > 0 в области - е [0;1); тогда для определения критических точек необходимо

найти корни уравнения в ехр (к-) (2к-2 - 2к- -1) - (2-2 - 3- + 1) = 0, которое может быть записано в виде

(2к-2 - 2к- - 1)в ехр (к-) = 2-2 - 3- + 1 (3.1)

Обозначая функцию слева и справа через ф (-) = (2к-2 - 2к- - 1)в ехр (к-), = 2^ — — 3t + 1, их производные примут следующий вид:

ф' (-) = (2к-2 + (4 - 2к) - - 3)в кехр (к-), у' (-) = 4- - 3

Исследование функции у (-) показывает, что она имеет минимум уш1п = 9/8 — 9/4 + + 1 = —1/8 в точке - т;п = 3/4, а на границах области определения она принимает значения у (0) = 1, у (1) = 0. Кроме того, у (1/2) = 0. Для функции ф (-) одна ее критическая

точка -1 = (2к - 4 + ^(4 - 2к)2 + 24к)/4к > 3/4 лежит в области определения - е [0; 1) и является точкой минимума, а другая находится вне области определения. На границах области определения функция ф (-) принимает значения ф (0) =—3, ф(1) =-в ехр (к). При непрерывном увеличении параметра Р от Р = 0 до в = в0 график функции ф (-), имеющий две точки пересечения с функцией у (-) при в = 0 (-01 = 1/2; -02 = 1), опускается ниже и при достижении некоторого значения в = в0 две точки пересечения сливаются в одну точку, которая определяется условием равенства как самих функций, так и их производных, и далее при в > в0 функции не имеют точек пересечения. Таким образом, при в < в0 имеется немонотонная зависимость /2 (-), а при в > в0 эта зависимость монотонна. Графики ф (-) и у (-) для значений к = 1 и к = 9 представлены на фиг. 1. Условие в < в0 (к) м

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