К вопросу о течении тиксотропной жидкости в несимметрическом потоке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Омский государственный технический университет

К ВОПРОСУ О ТЕЧЕНИИ ТИКСОТРОПНОЙ ЖИДКОСТИ В НЕСИММЕТРИЧНОМ ПОТОКЕ

С.Н. Литунов, Ю.Д. Тощакова

Аннотация

В некоторых несимметричных потоках могут появляться области, в которых образуется квазитвердое тело. В технологическом оборудовании наличие квазитвердого тела может оказывать негативное влияние на качество изготавливаемой продукции. В частности в печатных офсетных машинах квазитвердое тело ухудшает условия перемешивания краски в красочном ящике, что снижет качество оттиска. Для выбора способа улучшения перемешивания краски в красочном ящике необходимо разработать модель течения тиксотропной жидкости в несимметричном потоке. Этому и посвящена статья.

Цель работы: исследовать гипотезу о наличии квазитвердого тела в несимметричном потоке, вычислить его размеры и место его расположения. Провести натурный эксперимент, позволяющий сделать вывод об адекватности разработанной модели реальному процессу.

Методы исследования, применяемые в работе: вычислительный эксперимент проводился на основании численного решения уравнения Навье-Стокса с помощью программы Flow Vision, вычислении размеров области, в которой сдвиговые усилия меньше предельного напряжения сдвига с помощь специально разработанной программы «Программа подготовки к визуализации и анализу данных по гидродинамике течения краски в красочном аппарате офсетной машины». Натурный эксперимент строился на измерении температуры внутри несимметричного течения, позволяющего сделать вывод о наличии в нем квазитвердого тела.

Результаты: полученные данные расчетные и экспериментальные данные подтверждают гипотезу об образовании квазитвердого тела в несимметричном потоке тиксотропной жидкости. С помощью расчетных данных построены области, в которых сдвиговые напряжения не превышают предельное напряжение сдвига и определены их размеры. Распределение температуры в потоке краски подтвердило предположение о наличии квазитвердого тела.

Вывод: положение квазитвердого тела в потоке и его размеры мало зависят от скорости вращения подвижной границы и вязкости жидкости, и составляют около 20 % от объема жидкости. Определение размеров и расположения квазитвердого тела необходимы для разработки устройства, позволяющего улучшить перемешивание краски в красочном ящике печатной машины.

Ключевые слова: вязкая жидкость, идеальная жидкость, модель течения вязкой жидкости, тиксотропия

Введение

квазитвердый тело несимметрический поток

Последние пару десятилетий учеными в области гидромеханики и физики, как в нашей стране [1, 2, 3], так и за рубежом [4, 5], все чаще исследуются работы по изучению течения вязкой тиксотропной жидкости.

Проводятся успешные попытки численного моделирования различных весьма сложных течений тиксотропной жидкости. Это позволяет сэкономить значительные средства на проведение физического эксперимента при создании новых или модификации существующих технических устройств.

Моделирование, изучение и исследование течения жидкости применяется кроме области гидромеханики [1], также в области медицины [2], машиностроении [3].

В литературе известно решение математической модели процесса течения неньютоновской жидкости по поверхности криволинейной насадки произвольной формы [6], также известна математическая модель осесимметричного установившегося течения ньютоновской жидкости [7].

Тиксотропные жидкости - жидкости, в которых при постоянной скорости деформации, напряжение сдвига уменьшается во времени. Свойство тиксотропии объясняется наличием в жидкости внутренней структуры, имеющей некоторую механическую прочность. Минимальное напряжение, необходимое для разрушения этой структуры называется предельным напряжением сдвига. Течение тиксотропной жидкости возможно при условии, когда касательные напряжения превышают предельное напряжение сдвига. При моделировании одномерного осесимметричного течения тиксотропной жидкости выяснено, что в потоке существует область, в которой касательные напряжения меньше предельного напряжения сдвига.

В случае течения тиксотропной жидкости в несимметричной потоке также могут возникать условия, при которых возможно образование квазитвердого тела. Наличие квазитвердого тела в потоке может оказывать негативное влияние на параметры течения (перемешивание, распределение температуры и т.д.) [8, 9].

Цель работы

Исследовалась гипотеза о существовании квазитвердого тела при течении тиксотропной жидкости в потоке заданной формы.

Методы исследования

Исследования проводили, используя вычислительный и натурный эксперименты. Вычислительный эксперимент включал в себя следующие этапы:

определение поля скоростей в области течения; расчет сдвиговых напряжений в области течения; определение участков в области течения, на которых предельное напряжение сдвига превышает сдвиговые напряжения в потоке.

Натурный эксперимент включал в себя измерение температуры в потоке и выявление областей с одинаковой температурой, которые указывают на наличие квазитвердого тела.

Для исследования выбрана область течения, показана на рис.1. На рисунке отмечены неподвижные границы 1,2,3, и подвижная граница 4, которая представляет собой часть кругового цилиндра.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Схема экспериментальной установки 1, 2, 3 - неподвижные границы; 4 - подвижная граница; 5- граница жидкости

Для проведения вычислительного эксперимента использовали программный комплекс FlowVision [10].

Натурный эксперимент проводили, измеряя температуру движущейся жидкости, и выделяли участки с одинаковой температурой. Для изменения температуры жидкости использовали прибор ИТП-11 (Россия) с термопарами, выполненными по ГОСТ Р 8.585-2001.

Результаты. В вычислительном эксперименте на основании полученных значений строили контурную диаграмму, показывающую интервалы одинаковых значений для области течения жидкости при разной вязкости жидкости и скорости вращения подвижной границы. Расчеты позволили предположить, что центр вращения квазитвердого тела не зависит от вязкости в диапазоне от 30 до 50 Па·с.

Вычисленные размеры сечения квазитвердого тела составляют 206,52- 223,14 мм2, что занимает около 20 % от всего объема жидкости.

По данным результатам натурного эксперимента были построены контурные диаграммы с интервалами значений рис.2. На рис.2 поз. 1 показана область, в которой температура распределена равномерно.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Контурная схема течения краски: а --30 Па·с; б -- 40 Па·с; в --50 Па·с: участки с температурой: 1 -21, 1 0С; 2-20, 9 0С; 3- 21, 6 0С

Распределение температуры в сечении, перпендикулярном оси квазитвердого тела, для каждой испытуемой вязкой жидкости показало наличие области с одинаковой температурой, расположение которой совпало с расположением квазитвердого тела, определенного с помощью вычислительного эксперимента.

Подобная область имеет место в красочном аппарате печатной офсетной машины при этом область составляет 20% что отрицательно сказывается на качестве печати. Эту область можно разбить с помощью механических краскомешалок или с помощью активаторов пассивного типа [11].

Литература

[1] Арефьев, Н. Н. Исследование течения вязкопластичной жидкости / Н. Н. Арефьев / Вестник АГТУ. Сер. Морская техника и технология. № 1. 2009.

[2] Шадрина, Н.Х. Математическая модель течения жидкости в резистивном кровеносном сосуде / Н. Х. Шадрина / Фундаментальные проблемы теоретической и прикладной механики. Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (5), С. 2604-2606.

[3] Вершинина, И. П. Математическая модель динамики неньютоновской жидкости во вращающемся цилиндрическом канале / И. П. Вершинина // Известия ВолгГТУ С. 5-8.

[4] Paulo R. de Souza Mendes Modeling the thixotropic behavior of structured fluids / Paulo R. de Souza Mendes // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 2009,С. 66-75 DOI: 10.1016.

[5] Alexandros Syrakos, Thixotropic flow past a cylinder / Alexandros Syrakos, Georgios C. Georgiou, Andreas N. Alexandrou/Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, № 8. 2014 DOI: 10.1016.

[6] Гордон, В. А. Математическая модель процесса течения неньютоновской жидкости по поверхности криволенейной насадки произвольной формы / Д. В. Грабельников, И. А. Никулин, Г. А. Попович, Г. В. Рябчук, О. Н. Тимакова // ЗВЕСТИЯ ВолгГТУ С. 66-70.

[7] Боницкая О. В., Математическая модель осесимметричного установившегося течения ньютоновской жидкости в коническом канале / О. В. Боницкая, С. В. Зотова// Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. Механика. 2013. Вып. 2. Ч.1. С. 67-74.

[8] Ландау, Л. Д.Теоретическая физика. Гидродинамика. М.: Наука, 1988. 216 с.

[9] Раскин А.Н., Ромейков И.В., Бирюкова Н.Д, Муратов Ю.А, Ефремова А.Н. Технология печатных процессов. М.: Книга, 1989. 432.

[10] Программный комплекс FlowVision. Версия 3.09.03 [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.flowvision.ru (дата обращения: 27.01.2015).

[11] Пат. 141599 Российская Федерация, МПК B41F31/00 красочный аппарат / С. Н. Литунов, О. А. Тимощенко. заявитель и патентообладатель Омский государственный технический универитет. № 2013153443/12 заявл. 02.12.2013; опубл. 10.06.2014. Бюл. № 16. 2 с.

Размещено на Allbest.ru