Variable cross-section flows in polymer and composites processing
Authors: Πολυχρονόπουλος Νικόλαος 
Published: August 2021

Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να επιλύσει μια σειρά προβλημάτων που συναντώνται στη παραγωγή φύλλων, υμενίων και ταινιών τα οποία κατασκευάζονται από πολυμερή και τα σύνθετα αυτών. Πλήρως 3D αριθμητικές προσομοιώσεις της κυλίνδρωσης (calendering) δείχνουν ότι η πλευρική εξάπλωση του φύλλου, που διέρχεται μεταξύ των δυο αντιπεριστρεφόμενων κυλίνδρων, επηρεάζεται από το πλάτος και το πάχος του φύλλου στην περιοχή τροφοδοσίας καθώς επίσης και από την ταχύτητα τροφοδοσίας. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν ότι η πλευρική εξάπλωση του φύλλου επιτυγχάνεται μέσω μιας σπειροειδούς κίνησης του ρευστού. Η μελέτη αυτού του ροϊκού πεδίου αποκαλύπτει μια αξιοσημείωτη αναδιάταξη του υλικού από την περιοχή τροφοδοσίας προς τις πλευρές. Για την περιγραφή της διαδικασίας χύτευσης φύλλου (film casting) ακολουθήθηκε αριθμητική επίλυση των εξισώσεων διατήρησης μάζας και ορμής χρησιμοποιώντας το Phan Thien-Tanner γραμμικό μοντέλο, ως καταστατική εξίσωση, που περιγράφει την ιξωδοελαστική συμπεριφορά του ρευστού. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι η μέγιστη διόγκωση (maximum swelling) του υλικού στην έξοδο της κεφαλής μειώνεται ραγδαία με την αύξηση του λόγου τάνυσης (draw ratio) του φύλλου. Για την κατανόηση της διαδικασίας εκβολής με έλξη υποβοηθούμενη από κυλίνδρους (pin-assisted pultrusion), τα δυναμικά φαινόμενα εμποτισμού ενός πορώδους υποστρώματος με ρευστό διερευνήθηκαν υπολογιστικά. Προσδιορίστηκε ότι το βάθος εμποτισμού μιας σύνθετης διαπερατής ταινίας/ιστού που έλκεται πάνω από έναν μη περιστρεφόμενο κύλινδρο, προκαλείται λόγω ανάπτυξης πίεσης και επηρεάζεται από έναν μεγάλο αριθμό παραμέτρων που διέπουν τη διεργασία και το υλικό (π.χ. ακτίνα κυλίνδρου, ταχύτητα έλξης, ιξώδες ρευστού και διαπερατότητα της πορώδους ταινίας, ιστού). Μια απλοποιημένη ανάλυση κλίμακας, βασισμένη στη ροή του ρευστού διαμέσου του διαπερατού μέσου και στη ροή του διάκενου, υποδεικνύει ότι όλες οι σημαντικές παράμετροι της διεργασίας μπορούν να εκφραστούν μέσω ενός αδιάστατου αριθμού, ο οποίος εξαρτάται εκθετικά από το βάθος εμποτισμού. Χρησιμοποιώντας αυτή την εκθετική εξάρτηση για την μελέτη μιας διαδοχικής συστοιχίας κυλίνδρων, λήφθηκαν αποτελέσματα τα οποία βρίσκονται σε καλή συμφωνία με προγενέστερα πειραματικά αποτελέσματα. Υποκινούμενοι από την παραπάνω ανάλυση του βάθους εμποτισμού, ακολουθήθηκε μια γενικευμένη μελέτη για την περιγραφή και ποσοτικοποίηση του βάθους εμποτισμού που λαμβάνει χώρα σε ένα διαπερατό και παραμορφώσιμο υπόστρωμα υπό μορφής ιστού, που κινείται πάνω από ένα άκαμπτο, στερεό και μη περιστρεφόμενο κύλινδρο. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι το υπόστρωμα έχει την τάση να κινείται μακριά από τον κύλινδρο καθώς τον πλησιάζει και προσπαθεί να έρθει πιο κοντά σε αυτόν καθώς απομακρύνεται. Αυτή η συμπεριφορά προκαλεί ένα μέγιστο βάθος εμποτισμού σε συγκεκριμένες καταστάσεις παραμόρφωσης και διαπερατότητας του πορώδους υποστρώματος. Τα αποτελέσματα που λαμβάνονται είναι χρήσιμα για σχεδιασμό και βελτιστοποίηση διεργασιών παραγωγής λεπτών ταινιών και ιστών καθώς και για άλλες συσχετιζόμενες διεργασίας όπως επικάλυψης (coating), κύλισης (rolling) και τύπωσης (printing).