第三章流变学基础方程的初步应用.ppt

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1、第三章 流变学基础方程的初步应用v本章内容:v3.1拖曳流流场分析v3.2压力流流场分析v 在上一章介绍三大方程和本构方程的基础上,将它们应用于具体高分子加工流变学的实际问题,计算聚合物加工流变过程中的速度、温度分布以及如何确定流体的切应力、切变速率、表观粘度等物理量,无疑具有重要意义。v 由于聚合物是粘弹性流体,流变问题很复杂,一般的方法是对实际问题做必要的假设、简化模型,引入本构方程和边界条件,联立求解,得出应力、速度等物理量分布的方程,再进一步求别的物理量。v5.1 拖曳流拖曳流v 定义:指对流体不加压力而靠边界运动产生力场,由粘性作用使流指对流体不加压力而靠边界运动产生力场,由粘性作用

2、使流体随边界流动,称体随边界流动,称CouetteCouette库爱特流动。库爱特流动。v(一)两平行板间的拖曳流动(一)两平行板间的拖曳流动v1.简化假设v A.两平行平板间的流动是稳定层流,所谓稳流,指物理量不随时间变化。所谓层流,指只有一个方向流动,而且流速慢,温度、线速度V等仅是y的一元函数,所有物理量对x、z、t的导数均为0,速度V只有vx非零,vy=vz=0v B.两平行平板间距离远小于平板的长度宽度,无边壁效应,是一维流动v C.下板静止不动,上板可以沿x方向以Vx作等速剪切运动,即vy=vz=0,vx随坐标y变化,与x无关。v D.两平板间的流体与大气接触,流体中各点的静压一样

3、,即P=常数v E.两板的温度始终保持Twv F.流体不可压缩v G.高聚物流体接近牛顿型,应力中的法向应力 。且仅沿x方向的一维流动,v牛顿流体不可压缩平行平板间的流变方程。v H.无体积力作用,忽略重力和惯性力的作用v I.热传导,x方向剪切生热,y方向热传导,所以qy0,而qx=qz=0。v 在两平行平板间安排直角坐标系如图所示,假定两板间距H,板间充满流体。v2.运动方程简化v简化前沿x方向运动方程是:v根据上面假设简化:v A.无体积力作用,所以v B.假设P=常数,所以v C.是不可压缩的牛顿流体,所以v D.是一维层流,各物理量仅与y有关。v这样,简化后:v在垂直于y轴的平面上,

4、指向x方向的切应力是一个常数,不随y变化。v3.能量方程v v A.因为是稳流,T不随x、z变化,且是层流,vy=vz=0,所以上式左边=0。v B.根据假设仅沿y方向传导,qx=qz=0,压力是常数,仅沿x方向的一维流动,vx与x无关,不可压缩的牛顿流体,只有x方向剪切,这样简化后有:v4.流变状态方程v假设为牛顿流体,v5.边界条件v y=0,v(x)=0;y=H,v(x)=Vxv y=0,T(0)=Tw;y=H,T(H)=Twv6.求解v对(5-2)积分:v将(5-7)代入(5-5)v积分:v根据边界条件:y=0,v(x)=0;y=H,v(x)=Vxv有c2=0,v将(5-10)(5-5

5、)代入(5-4)v积分后有:v根据边界条件y=0,T(0)=Tw;y=H,T(H)=Twv有v右图给出的是根据(5-9)(5-13)给出的两平板间速度及温度分布v可见,速度是线性分布,即速度分量vx沿y方向线性变化,在上板处流速是Vx,下板处流速为0。v温度分布是抛物线,在流道中央y=H/2处温度最高,接近两板处流体温度与板的温度相等,流道中央温度升高的原因是:粘性流动耗散外部能量所致。v在实际加工中,设定加工设备的机筒温度,一定要考虑机筒内物料的真实温度比设定温度高许多,以免引起物料烧焦。v(二)圆环隙通道中的拖曳流动v流体在两个同心圆筒间的环形空间被拖曳着沿轴向流动,内圆筒以速度V沿Z向运

6、动,vz仅是r 的函数。v其它假设同前,简化后的动量方程:v对于幂律流体v利用边界条件 r=Ri时,vz=V,r=R0时,vz=0v对上式积分可得出熔体流动的速度分布:v3.2 压力流v 定义:指物料在管中流动指物料在管中流动,是由于管道两端存在压力差是由于管道两端存在压力差,而边界固定不动,而边界固定不动,称称PoiseuillePoiseuille泊肃叶流动。泊肃叶流动。按照管道截面积分:圆形和矩形等.v(一)圆形管道中的压力流动v 设管子半径为R,长度为L,物料沿z方向流动,静压为P,管外温度始终保持Tw,考虑由r、z各取微小增量dr、dz、d 所组成的微元体。v1.简化假设v A.设物

7、料是不可压缩的遵循幂律方程的非牛顿型粘性流体,流动是稳定层流。v B.设管径R10,物料沿z方向流动,沿z轴方向的速度vz,仅仅是y的函数,与x无关.v1.简化假设v A.设物料是不可压缩的遵循幂律方程的非牛顿型粘性流体,流动是稳定层流。v B.在流道中沿流动方向的速度vz不变,沿流动方向的速度梯度为0,压力梯度为常数。v C.流动是等温过程。v D.重力忽略不计。v E.流道壁面没有滑动,即当y=h/2时,vz=0v v2.运动方程简化v简化前沿z方向运动方程是:v根据上面假设简化:v A.流动沿z方向,稳流,左边等于0。无体积力作用,所以v B.假设v C.仅与y有关,所以v D.沿流向的

8、速度不变,v这样,简化后:v3.切应力v将(5-32)积分:v在中心线y=0处,在壁面y=h/2,v可见,在y方向某一位置的切应力与壁面处最大切应力有:v v 4.切变速率和线速度v根据幂律式与式(5-32)有vK为稠度,n为流变指数.v在壁面处,y=h/2,v 将(5-35)积分,并取边界条件y=h/2,vz=0,有v可见,vz是y的函数,y=h/2,在壁面处,vz(h/2)=0,当y=0,在中心处v5.体积流速Qv在缝模dx上下两部分的流速为:v对整个宽度W进行积分v对于牛顿流体v6.以平均速度表示的速度分布v当n=1时,v即牛顿型流体流速似抛物线分布.v本章重点:v1.牛顿不可压缩流体在两平行平板间的速度及温度分布2.牛顿幂律流体在圆形管道压力流中的速度及温度分布v课后作业:已知某塑料熔体,以每秒1cm的流速经横截面为圆形(R=2cm)的口模,且为层流状态.若熔体的n=0.3,在170时粘度为103Pa,略去入口效应.v求(1)流道中心处的轴向压降v (2)若流道壁温为170,导热系数=4.2*10-3w/m,求流道中心温度v (3)离开流道中心多远,熔体温度正好是172.

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