Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема теоретического исследования изико-химических процессов при элонгационном течении (растяже-ии) ламинарных, неизотермических струй расплавов и растворов таймеров актуальна в связи с важностью качественного понимания и вобходимостью проведения количественных расчетов таких процес-ов, а также из-за практических приложений получаемых результа-ов.
Особенности элонгационного течения гонких неизотермических труй расплавов и растворов полимеров заключаются в сопутствующих му сложных физико-химических процессах, в значительной степени нициируемых явлениями диффузии и теплопереноса. При охлаждении асплава полимера из-за теплообмена с окружающей средой сущест-енно увеличивается его вязкость (на два и более порядков) и мо-ут начаться процессы стеклования или кристаллизации. Для раство-ов полимеров при гелеобразовании, существенно зависящего от провесов тепломассопереноса, вязкость системы увеличивается пример-о на порядок. Увеличение вязкости, а также ее изменения при те-ении расплавов и растворов полимеров, которые являются неньюто-овскими жидкостями, существенно влияют на характеристики движе-ия. Однако неравномерность течения при растяжении и, как следст-ие изменение радиуса струи безусловно влияют на взаимодействие труи со средой движения и интенсивность протекания физико-имических процессов. Все выше сказанное свидетельствует о необ-одимости взаимосвязанного рассмотрения комплекса одновременно ействующих физико-химических факторов при элонгационном течении, ля теоретического изучения этих явлений математическими методами ажным является построение систем уравнений, адекватно описываю-их исследуемые процессы.
Одной из реальных практических задач, в которой возникает еобходимость использования результатов изучения элонгационного ечения струй расплавов и растворов полимеров, является произ-одство химических волокон. Ряд физико-химических процессов, рассматриваемых в работе, адекватны определенным стадиям технологи-зских процессов формования химических волокон. Эта отрасль про-зводства во многом опирается на эмпирические сведения, однако птимизация существующих и разработка новых технологических про-
цессов формования химических волокон невозможна без взаимосвязанного исследования протекающих при этом физико-химических явлений.
Таким образом, незавершенность научных представлений о взаимосвязи физико-химических процессов при элонгационном течении струй расплавов и растворов полимеров, препятствующая глубокому пониманию ряда явлений и возможности их практического использования, делает актуальным развитие научного направления, связанного с теоретическим изучением этих процессов.
Работа проводилась в соответствии с планом ГКНТ I986-I99I г.г., тематикой четырех хоздоговорных научно-исследовательских работ ТГТУ в 1989-1992 г.г., а такке в рамках научных проектов, поддержаных Российским Фондом фундаментальных исследований в 1995-1997 г.г. и фондом фундаментальных исследований Министерства общего и профессионального образования РФ в 1997 г.
Целью работы является теоретическое изучение закономерностей элонгационного течения тонких неизотермических струй растворов и расплавов полимеров с учетом влияния физико-химических процессов. Это исследование включает в себя два основных этапа. Во-первых, построение новых физико-математических моделей таких явлений. Во-вторых, численно-аналитическое исследование закономерностей проявления ряда взаимосвязанных физико-химических факторов, одновременно действующих в ламинарных струях неньютоновской жидкости с подвижными границами, а также некоторых проблем нелинейного теп-ломассопереноса и гидродинамики.
Научная новизна. Впервые получены следующие основные результаты:
предложена система уравнений, описывающая элонгационное течение неизотермической струи раствора полимера при фазовом разделении в ней, позволяющая одновременно рассчитывать как кинематику и динамику движения струи с учетом реологических свойств каждой из фаз, так и кинетику фазового разделения с учетом двухфазной слоистой структуры и подвижной границы фаз;
построена математическая модель неизотермического гелеоб-разования при диффузии осадителя в раствор полимера, учитывающая диаграмму фазового равновесия системы полимер-растворитель-осади-тель, процессы теплопереноса, температурную зависимость диффузионных процессов, наличие двухфазной слоистой структуры, а также изменение размеров системы в этом процессе;
проведено исследование кинетики гелеобразования в раство-
>ах полимеров методом численного моделирования и дано объяснение !-образного вида зависимости величины зоны гелеобразования от времени, предложена аналитическая модель этого процесса для изо-'ермического случая и получены расчетные соотношения для времени юлного гелеобразования; показано, что в процессе гелеобразования іуществует два качественных временных этапа; исследована зависи-гасть полного времени гелеобразования от основных параметров процесса;
получена система уравнений, описывающая взаимную диффузию :омпоненг при вытяжении бикомпоненгной струи расплава полимера 'ила оболочка-ядро; показано, что величина диффузионной зоны комитант в основном определяются коэффициентами диффузии компонент ;труи, температурой границы раздела и скоростью ее изменения, -емпературой среды, коэффициентом теплоотдачи, скоростью движения ; радиусом струи;
построена замкнутая математическая модель описания элонга-данного течения неизотермической струи жидкости в сопутствущем отоке газа, в которую совместно с уравнением теплообмена входят дномерное уравнение движения струи, полученное в приближении онкой струи, и алгоритм определения граничных условий, разрабо-анный на основе анализа сил, определяющих движение струи в этом роцессе; исследованы зависимости параметров струи после вытяги-ания от условий ее движения (расхода жидкости, распределения емпературы среда и скорости газа);
проведено экспериментальное и теоретическое исследование ешюфизических характеристик волокнистых систем; найден минимум, оэффициента температуропроводности при изменении пористости сис-емы; предложены расчетные соотношения для коэффициентов тепло- и емпературопроЕОдности анизотропных композиционных материалов.
Основные положения, выносимые на защиту:
системы уравнений, описывающие элонгационное течение струй астворов и расплавов полимеров;
результаты исследований, полученные на основе новых физи-о-математических моделей, следующих процессов;
I. элонгационного течения неизотермических струй полимеров
а) раствора полимера при фазовом разделении;
б) взаимной диффузии компонент для струи расплавов полиме
ров типа оболочка-ядро;
в) расплава полимера в сопутствующем потоке газа;
-
гелеобразования растворов полимеров;
-
теплопроводности в волокнистых системах.
- практические рекомендации, полученные на основе проведенных исследований.
Практическая значимость работы обусловлена адекватностью, рассматриваемых в ней физико-химических явлений определенным технологическим процессам формования химических волокон. Можно выделить два основных направления практического использования полученных в работе результатов. Во-первых, они нашли применение при выборе оптимальных режимов существующих технологических процессов для получения продукции с заданными свойствами. Во-вторых, разработанные модели, методология численно-аналитического исследования и результаты анализа могут яослужить основой для разработки новых технологий.
Основные теоретические результаты диссертации имеют достаточно общий характер и могут быть использованы в дальнейшем для изучения злонгационного течения тонкой неизотермической струи не-ныотоновской жидкости и других подобных задач.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на V и VI Всесоюзных семинарах "Обратные задачи и идентификация процессов теплообмена", (Уфа, 1984; Москва, 1987); III Всесоюзной конференции молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики" (Новосибирск, 1989); Всесоюзном семинаре "Тепломассообмен и гидродинамика струй вязкой жидкости" (Днепропетровск, 1989); Российской и Международной конференциях "Математические модели нелинейных возбуждений, переноса, динамики, управления в конденсированных системах и других средах", (Тверь, 1994, 1996); 4-й Всероссийской конференции "динамика процессов и аппаратов химической технологии", (Ярославль, 1994); первой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1994); Международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" (Тверь, 1995; Тула, 1996; Новомосковск, 1997); 2-й Международной тешгофи-зической школе (Тамбов, 1995); 3-м Минском международном форуме по тепломассообмену (Минск, 1996). Результаты работы были доложены на научно-технических конференциях и семинарах в Тверском государственном техническом университете.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 38 печатных работ. Список основных публикаций го теме диссертации приве-
єн в автореферате.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти лав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. В аключении сформулированы основные результаты исследований. Рабо-а изложена на 269 страницах машинописного текста, содержит 56 исунков и список цитируемой литературы, включающий 213 наимено-аний.