Реодинамика нестационарных процессов тепломассопереноса полимерных жидкостей в каналах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

'Л,'}'тис&си сцлШа су^лсу О (/1(М6)

7 г, 4 ЯФ 90 ■ Шосибьре«*' Ш0.& и 1 V зт

АКАДЕМИЯ НАУК СССР -Ги и

ОРДЕНА ЛЕНИНА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ТЕПЛОФИЗИКИ /Л/

На правах рукописи УЖ 532.7:517.2

Попов Виталий Исакович

ЕЕОДИШКА НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССОВ ТЕ1Ша1АСС0ЖРЖЮСА ДОйИЕИЫХ ЖИДКОСТЕЙ В КАНАЛАХ

Специальность 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание ученом степени доктора технических наук

Новосибирск - 1988

Работа выполнена в Институте теплофизики СО АН СССР

Официальные оппонента:

Академик АН ЛатвССР Ю.А.Млхамлов

доктор технических наук,профессор В.В.Мошев

доктор технических наук,профессор Б.Г.Покусаев

Ведущая организация: Институт тепло-и массообмена им. А.В.Лыкова АН БССР

Защита состоится "_"_1989г.в_ч.

на заседании специализированного Совета Д 002.65.01 по защите диссертации на соискание ученой степени доктора наук при Институте теплофизики СО АН СССР: 630X0,г.Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева,!

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО АН СССР

Автореферат разослан "_"_1989г.

Учёный секретарь специализированного Совета,доктор технических наук,профессор __ Н.А.Рубцов

№ Ъэ

; ОБЩАЯ ХЛРЖЕРЛСТИКА РАБОТЫ

'^Актуальность проблем.. Полимерные жидкости (раствори, расплавы полимеров, композитные, коллойдаше, биополимерные жидкости, некоторые сорта нефтей, окульсии и т.д.) наделены слоеной внутренней структурой и вследствие этого имеют особые механические свойства. Проблема переноса количества движения, определяющая процесс переноса тепла, массы в таких средах связана с исследованием и описанием их реодинамического фактора-совокупности структурно-реологаческнх свойств и внесших параметров воздействия, в частности, нелинейно-вязких (IIB) и нелпнейно-вязкоупругах (ШУ) свойств, степень проявления которых зависит от условий деформирования. Например, в стационарных установив-кпосся потоках движение полимерных жидкостей характеризуется зависимостью текучести только от напряжения сдвига (температуря) - НЗ свойства. В неустановившихся течениях на характеристики переноса дополнительно оказывает влшпше динамическая анизотропия (ненулевые разности нормальных напряжений), в нестационарных потоках уже проявляются релаксационные явления и течение ■ зависит от временного масштаба дефоршрования - НВУ свойства.

Практический интерес для большого числа непрерывных технологических процессов получешгя и переработки полимерных зндкос-тей ((г-ор.ювание волокон, композиционное смешение, соэкструзия, сепарация, краление, пластификация, ориентационное дефоршрова-пие, полимеризация и т.п.), а тазике их трубопроводного транспорта, заключается в установлении и учете влияния этих взаимосвязанных тер:лореодш{ам1гческих (Такторов на закономерности течения, сопротивления и теплообмена п в управлении имя как в диапазоне изнепеш1Я внешних параметров воздействия, при которых определялись свойстза, так и за их пределами.

Несмотря па пирокос распространение и использоваше полимерных жидкостей (текстильная, нефтеперерабатнвавгдя, пищевая иро^шленностп,- машиностроение, биопыдустрия, робототехника"и ■ т.п.), шогопараметрические процессы переноса в них все еще не являются полностью научно обоснованный!, а сведешь! о закономерностях течения и тепломассообмена в практически ванных условиях дефилирования в каналах (стационарные, неустановившиеся, переходные, ооциллиругадие, пульсирущпе, нестабильные) остаются ограничешшш. Вследствие этого технологические процессы,

связанные с производством и переработкой полимерных систем, даже но средним величинам трудно контролируются, слабо поддаются усовершенствованию, оптимизации и интенсификации. Во многом еце птается неясны».; физический смьсл и характер протеклищгх процессов при течении полимерных жидкостей, например, в каналах лптшг-кошх устройств, шприцголовок, фильер и т.п. Тем не менее от правильной организации механических и тепловых процессов лере-носа на всех стадиях течения: в дреднходовой области канала, па участке реодинамической к тепловой стабилизации, на участке установившегося течения (то есть от всей предыстории течения и теплообмена) будет зависеть качество полимерного сырья, форма сечения на выходе из профилирующего канала. При этом свойство полимерного продукта будет определяться его орнентацлонной структурой, которая формируется в процессе такого течения.

Проблема описания и управления процессами переноса обусловлена многообразием полимерных жидкостей к сложностью их реологического поведения, отсутствием для классов полимерных нвд-костей достаточно простых, по адекватных их механическому поведению физически ясных реологических моделей, позволяющих замокнуть исходную систему уравнений и последовательно получать расчетную информацию о протекаишх процессах переноса в широком классе ламинарных течений.

Отсутствие надегсных экспериментальных методов исследования кинематических характеристик течения полимерных жидкостей (из-за их прядомости, упругости и т.п.) создают трудности в деле обоснования предлагаемых моделей, выяснения границ применшлос-ти расчетных методов, получения экспериментальной информации о структуре и рентах течения в каналах сложной геометрической формы.

Важнейшим вопросом непрерывного получения и переработки полимерных жидкостей в каналах является вопрос качества: создание ттериалов с улучшенными или наперед заданными механическими свойствами. Эффективно это ьгазет быть достигнуто в том случае, если будут установлены связи между внесшими параметрами течения полимерных хзтдкостей и их структурно-реологическими . свойствами. В связи с этим рассматриваемая проблема долана решаться на основе развития, например, структурно-феноыенологи-ческпс подходов.

При некоторых критических параметрах экструзии поликерше кидкости теряют свое устойчивое ламинарное течение в каналах и не гут перейти в недопустимый для практики форлования волокон, изделий и т.п. нестабильный реним течения. Повышение качества продукции и производительности экструзлонного метода делают вопрос о роли реодпнамического фактора в дестабилизации течения весьма актуальным.

Широкое использование трубопроводного транспорта смолистых и шеокопарафгашетых нефтей, прядалышх растворов, нысокшоле-куляршх топлнв, биологических масс, закачка раствора полимера в нефтяные скважины для вытеснения буровых сред из каверн или увеличения пропускной способности нефтетрубопроводов, также ставят рассматриваемую проблему в число актуальных. Дале от небольшого усовершенствования таких энергоемких и многотоннажных процессов в значительно!} ыере зависит экономический эффект. Поэтому в данное время ставится вопрос о целенаправленном влиянии реодинашческого фактора на процессы переноса, на расходные, тепловые, энергетические и т.п. характеристики их канального транспорта.

Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию, теоретическому описанию и разработке методов расчета влияния термореодянамичеешк (нелинейно-вязкого, динамической анизотрошш, неизогермичности, релаксации напряжений) факторов на процессы переноса полимерных жидкостей в широком классе их ламинарных течений. При этом изучены такие решали течения и теплообмена в каналах, которые'наиболее часто встречаются в практике получения, переработки и транспорта полимерных жидкостей и в то же время являются характерными для проявления их особых свойств (см. табл.).

Цель и задачи исследования. Разработать методы экспериментального исследования и расчета влияния терлореодгшашческих факторов на процессы переноса полимерных жидкостей в широком классе их ламинарных течений в каналах. Получить сведения по оптимальным условиям, определяющим шиенсивность процессов переноса полимерных жидкостей в практически важных условиях тече-1шя в каналах. Для этого необходимо экспериментально изучить нелинейно-впзкоупругис свойства полимерных жидкостей, особенности их нелинейного поведения в различных условиях., простран-

ственно-времешюго деформировандя. Со структурно-феноменологических позиций описать динамику нелннешю-вязкоунругого поведения и подучить экспериментально обоснованное реологическое уравнение состояния. На основе разработанных моделей предложить методики расчета и исследовать влияние термореодинамнчес-кого фактора на характеристики переноса, реаиш течения, закономерности сопротивления и теплообмена полимерных жидкостей в каналах. Создать и апробировать бесконтактные оптико-механические методики экспериментального исследования и диагностики полимерных жидкостей, позволяздие оцештаь диапазон и достоверность предлагаемых методов расчета, получить недостандузо инфср-

■ мацию по кипемагячесгаш характеристикам, структуре и режимам течения в практически важных условиях десЗзормпрования полимерных шдкостей в каналах.

Научная новизна работы заключается в применении и развп-

■ тин структурно-феноменологическозх) подхода к исследованию процессов конвективного тепло:лассопереноса полимерных ;шдкостей со сложной внутренней структурой и динамикой поведешш; в построении залкнутой систеш уравнений рео^гпзшки с внутрешпгм

тензорным параметром для огшеаная класса полимерных яидкостей; в системном теоретико-экспериментальном изучении термореодина-шки полимерных жидкостей в стационарных и нестационарных ре:ки-мах течения в каналах.

В рамках этого направления шерше предложены оптико-механические методики, построены экспериментально обоснованные расчетные модели, позволяющие исследовать влияние термореодинами-ческого фактора на интенсивность процессов переноса, закономерности течения и теплообмена полимерных жидкостей в каналах. Впервые получен обобщенный опытный и расчетный материал по структурно-реологическим, кинематическим, тепловым, частотны:,I характеристикам течения и теплообмена полимерных жидкостей в каналах, количественные данные о влиянии комплекса реодянамп-чеекпх (нелинейно-вязкого, нелинешю-вязкоупругого, релаксационного) факторов на локальные и осредаенше кинематические ха-рактеристшси переноса, структуру .и режимы течешш, закономерности сопротивления и теплообмена полимерных жидкостей в различию; геометриях течения в каналах, внешних параметров песта-цпонарного воздействия (амплитуд, частот, градиентов давленый).

Па момент публтеаций получены следующие новые результаты:

- обобщены опытные данные по реологии стационарного (локально-равновесного) течения большого набора полимерных жидкостей. В практически важном интервале напряжений сдвига, температур и концентраций обнаружен широкий класс полимерных жидкостей с экспоненциальным:* и линейными законами текучести и упругости.

- разработан структурно-феноменологический вариант реологического уравнения состояния с релаксационным соотношением душ внутреннего параметра с целью исследования нестационарных (неравновесных) процессов переноса класса полимерных жидкостей.

- построены расчетные реодинамическне модели стационарных и нестационарных течений исследуемых полимерных жидкостей. Предложены методики расчета реодпнашки и конвективного тепломассообмена в широком массе лашнаркых течений полимерных жидкостей в каналах (стационарные, изотермические, непзотермичес-кие, неустановившиеся, переходные, осщилирующие, пульсирующие течешш).

- модели описывают известные и предсказывают ноше нели-

нейше эффекты реоданашческого поведения полимерных жидкостей в каш-яах; колебательный переход всех динамических характеристик течения к своим стационарным значениям; резонансный (по расходу) эффект в пульсирующих течениях; зависимость интенсивности процессов переноса от $азы пульсаций градиента давления. Показано, что внешними воздействиями можно управлять среднестатистической ориентационной структурой! полимерных жидкостей: установлены связи меаду внешними параметрами течения класса полимерных жидкостей и их среднестатистической ориентационной структурой. Вскрыт физический смысл измеряемых на опыте макроскопических величин, отвечавдих за нелинейные эффекты переноса.

- установлена существенная роль терлореодипамических (факторов в интенсификации и оптимизации процессов переноса поли-мершх жидкостей в каналах. Впервые дан систематический анализ влияния комплекса факторов (структурно-реологического, неизо-терличпоста, динамической анизотропии, релаксационных явлений, граничных условий и т.п.) на характеристики переноса, закономерности течения и теплообмена в плоских и круглых каналах. Выделены режимы течения, найдены области изменения внешних параметров воздействия, когда релаксационный фактор оказывает существенное влияние на расход, теплоотдачу и энергозатраты. Показано, что с ростом динамической анизотропии жидкости в пограничном слое усиливается все процессы переноса (тепла, массы, количества движения). С ростом структурно-реологического фактора сопротивление потока снижается, а теплоотдача возрастает! Ееизотерлнчность при определенных условиях может оказывать более существенное влияние на процессы переноса, чем структурно-реологический фактор. Впервые показана возможность интенсификации нестационарных (релаксационных) процессов конвективного теп-лоыассопереноса полимерных жидкостей в области резонансных частот внешнего воздействия. Получены ноше данные об изменениях интенсивности тешюмассопереноса полимерных жидкостей в каналах в зависимости от фазы пульсации градиента давления.

- с помощью разработанных оптико-механических методик получена новая инфорлация - возникновение вихревых структур в

. лобовой области цилиндра при его напорном обтекании потоком полимерной жидкости, возникновение нестабильных течений в каналах с кавернами, расслоение профилей скоростей для одной жид-

в'

кости в зависимости от параметра течения и т.п. Установлено, что релаксационные явления в полимерных яидаостях являются ос-новнил механизмом вытеснения из каверн других жидкостей, существенно интенсифащирумщми глассооомея меяду основным потоком и течением в каверне.

- впервые изучены условия возникновения, развития и характер нестабильного решила течения полнмерных лсидкостей на основе измерения локалышх, осредаеннмс кинематических, а танке спектральных характеристик течешш. В результате получена новая информация о кинематической структуре течешш в момент возникновения и развития нестабильного решила течения в каналах. Показано, что развитый нестабильный резким течения характеризуется постоянством относительной величины среднеквадратичных пульсаций скорости по сечении канала и их резким изменением в пристенной области.

- обнаружена частотная структура нестабильного режима течения. Показано, что возникновению нестабильности соответствует характерная спектральная мощность пульсации скорости. Автокорреляционные функция процесса указали на то, что пульсации скорости имеют не случайную (турбулентность),•а вполне детерминированную природу. О помощью кинематических и частотных измерений найдены критические условия возникновения нестабильности. Дана физическая интерпретация этого явления, подтвержден известный оценочный критерий возникновения нестабильности полимерных кидкостей в каналах.

Практическое значение результатов работы заключается в том, что OKI позволяют судить о влнягаш структурных и терморе-одашаш1чес1а1х факторов, проводить анализ и конкретные расчеты движения и теплообмена полимерных жидкостей в элементах оборудования для рационального выбора их технологического режима в процессах получешгя, переработки и транспорта.

Масштабы и условия такого влияния ио:жо проследить на следующих полученных результата:::

- в небольшом диапазоне перепадов давлений (линейный закон текучести) сопротивление (энергозатраты) полимерных зид— костей в плоских и круглых каналах молно уменьшить на 150 -200/5 (нелинейно-вязкий фактор -_у'3 / Яв0); теплоотдача при этом возрастает не более чем на 20#;неизотермичность процесса

(зависимость реологических свойств от температуры) при определенные условиях оказывает более существенное влияние на снижение сопротивления (до ЗОСШ и увеличение теплоотдачи (до 50£), "ем собственно нелинейно-вязкий кантор в этих условиях дсйор-мирования; для полного вытеснения бурового раствора из каверны (релаксационный фактор) в диапазоне 100 < Re0 500, вязкоупру-гого разделителя требуется в 3 раза меньше, чем обычной ньютоновской жидкости; пульсации градиента давления с точки зрения увеличения относительного расхода и теплоотдачи полимерных костей наиболее аффективны в .безынерционном ( Ré^X.4 \ ^ )

рекиме и не эффективны в инерционном реяиле ( gjg j^g ^ j течения; в безынерционном режиме течения имеются оптимальше области чисел We , cÜ6 относительного увеличения расхода; в резонансном режиме ( ¡£¿ ) 10, У/б<1, áOS^I) течения относительный расход полимерных жидкостей мокно увеличить в 2-3 раза, однако это увеличение связано с ростом энергозатрат; относительное увеличение расхода и теплоотдачи мояет быть достигнуто такие изменением формы пульсирующего сигнала градиента давления или увеличением амплитуды пульсации; внешшпли динаш-ческиш воздействиями модно управлять среднестатистической ори-ентационной структурой полимерных жидкостей ( VÍQ^ I) и процессами переноса - форлой профилей скоростей (Jo / R.6^10). температур, расходом, теплоотдачей; нелинейно-вязкоупругие свойства, пульсации градиента давления увеличивают длину начального реоданашческого и теплового участков в 1,5 -2 раза.

- результаты методических расчетов о влиянии комплекса термореодинамичесхих факторов на характеристики неизотер.ичес-кого течения и конвективного тепломассопереноса нелинейно-вязких жидкостей в каналах используются для рационального выбора режимов и напорно-расходных характеристик течения, экструзион-ного фор.ювания, обоснования энергозатрат (НИИ "Гипрокаучук", г.Москва, эконошческая эффективность 65 тыс. рублей в год; СКТБ "Катализатор", г.Новосибирск).

- разработаны, модифицированы и апробированы в опытах бесконтактные оптико-механические методы и приборы (оптико-механический прибор для измерения локальных и осреднешшх полей скорости, пространственно-временной метод стробоскопической визуализации для синхронного измерения динамических и кинематичес-

гак характеристик нестационарных, нестабильных течений, способ исследования и диагностики потоков с помощью данамооптического эффекта для изучения частотных характеристик течения, метод фотометрии для изучения динашки замещения, вытеснения другой; сред из каверн). Методики и приборы, а также полученный с их поморю больной опытный материал могут быть эффективно пеполь-зовшш в шкенерю-физпческой практике исследования и диагностики сложнодефорлируемых потоков, в определегат области применимости существующих методов расчета.

- результаты исследования возникновения и развития нестабильного режима течения в каналах различных входовых форл и размеров использованы при разработке технологического обоснования конструкций экструзнонннх головок и фильер с целью повышения скорости форлования полимеров в стабильных условиях процесса (Всесоюзный НИИ синтетхгческого волокна, г.Калишш, экономическая эффективность 287 тыс. рублей в год).

- обнаруженный факт возникновения нестабильных вихрение структур при напорном обтекадши криволинейных тел потоком полимерных жидкостей, следует учитывать в технологячеасих проработках, например, при конструировании и расчетах дросселирующих поток теплообменных устройств.

- исследован характер движения, динамика л полнота вытеснения из каверн различной конфигурации вязкой жидкости вязко-упругим разделителем, используемым при цементировании нефтяных и газовых скважин; разработана методика расчета по выбору оп-тнмального режима течения и количества вязкоупругого разделителя в технологически процессах цементирования нефтяных и газовых скважин; проведенные нспнтсашл (объединение "Азнефть"-5 скважин, ПО "0репбургнефть"-27 скважин) подтвердили! (с точки зрения качества цементирования) целесообразность применения разработки в технологии нефтедобычи. Экономическая эффективность

от внедрения разработки только на пяти скваяшах составила 15 тыс. рублей в год.

На защиту пгкосктся; структурно-феноменологический подход в исследовании процессов переноса полимерных жидкостей со сложной внутренней структурой и дзнамнкой нелинейно-вязксупругого поведения; существенная роль терлореодшзаглического фактора в интенсификации и оптимизации процессов переноса полплерше:

жидкостей в широком классе безынерционных ламинарных течений в каналах (стационарные, переходные, неустановившиеся, осциллирующие, пульсирующие, нестабильные течения); эффективность предлагаемых феноменологических и структурно-кинетических моделей и основанных на них методик расчета влияния термореодинамических факторов на прхэцессы переноса в стацяонар1Шх (равновесных) и нестационарных (неравновес::ых) условиях дет о рми ро ва ния; новый опытный и расчетный материал о влиянии реодинамических факторов на особенности нелинейно-вязкоупругого поведения, локальные, осреднешше кинематические характеристики переноса, структуру, режимы течения, закономерности сопротивления и теплоотдачи в рассматриваемых условиях деформирования; целесообразность развития бесконтактных оптически методик'в исследовании кинематических характеристик и диагностики течения полимерных жидкостей в каналах.

Достоверность результатов. Обоснованность структурно-фено-менологичеокого нодхода к описанию концентрированных полимерных жидкостей определяется использованием в его основе позитивных достижений для слабоконцентрировашых растворов высокополи-меров.

Расчетные результаты сопоставлены с опытными данными по реодинамике (гл.11), с измерениями полей скоростей (гл.1У,У, У1), коэффициентов сопротивлений (гл.Ш) и теплоотдачи (гл. 17) е плоских и круглых каналах. Оценка погрешностей измерений, воспроизводимость экспериментальных данных подтверждает достоверность результатов. Экспериментальная информация об одном и том же явлении, по возможности, получалась различными методами (оптико-механический метод и метод стробоскопической визуализации, стационарная и динамическая реометрпя, синхронное измерение динамических и кинематических характеристик течения и сопоставление с измерениями для ньютоновских жидкостей).

Апрооация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на Всесоюзном симпозиуме по тепло- и массооб-мену в неньютоновских жидкостях (г.Минск, 1966 г.); на Всзсс-юзнсм совещании и конференции по тепло- и ыассообмену (г.Минск, 1968, 1976г.г. Киев, 1969г.); на Сибирском тенлофизическом семинаре (г.Новосибирск); на Всесоюзных симпозиумах по реологии (У1, г.Москва, 1971г.; IX Ярославль, 1976 г.; г.Суздаль,1980г.);

на Всесоюзной конференция "Теоретические и прикладные исследования по процессам и аппаратам в ЦБП (г.Ленинград, 1974г.); на Всесоюзной конференции по механике аномально-вязких систем (г. Баку, 1977г.); на II Всесоюзном симпозиуме по теории переработки полимерных материалов (г.Пермь, 1980г.); на У11 Всесоюзном научном семинаре по гидравлике промывочных жидкостей и тампо-нажных растворов (г. Баку, 1980г.); на заседании научного семинара секции реологии Д11 ВХО им. Менделеева (г.Москва, 1982г.); на мездународной конференции "Гидродинамические и физические процессы в жидкостях и дисперсных системах" (г.Прага, 1983г.); на Ш Всесонзном симпозиуме "Теория механической переработки полимерных материалов" (г.Пермь, 1985г.); на У1 Всесоюзном съезде по'теоретической и прикладной механике (г.Ташкент, 1936г.); на Х1У Симпозиуме по реологии (г.Клайпеда, 1986г.); на научно-техническом семинаре "Технология катализаторов" (СКТБ "Катализатор", г.Новосибирск, 1987г.).

Материалы диссертации изложены в 65 опубликованных в печати работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, сети глав, общих еыводов и перечня цитируемой литературы. Работа содерта? 350 стралшд, в том числе: 220 страниц машинописного текста, -(23 рисунка ( Ю5 страниц), 25 страниц библио-графзи ( 2.2 9 наименований).

СОДЕРЁАШЕ РАБ01Ы

I. ИНТЕЕСИ®ЖАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА ПОЛИМЕРИИ. ШЩОСТЕЙ -ТЗШОРЕОДИНАЫИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА

Важнейшими вопросами полимерной технологии являются вопросы качества (определяемые обычно внутренней структурой среды), оптимизации и интенсификации процессов (зависящие от внешних физических воздействий). Для полимерных жидкостей, в отличие от ньютоновских,эти вопросы возникают из необходимости учета их внутренней структуры, а гахшв описания и управления динамикой нелинейно-вязкоупругого поведения.

В данное время решение рассматриваемой проблемы, в основном, ведется феноменологическими методами, з то время как вопроси качества, определяемые структурными'изменениями, требуют развития микроскопических подходов.

В первой главе изложены основные метода и результаты феноменологического исследования влияния реодинамического фактора на процессы течения и конвективного теплообмена полимерных жидкостей. Делается вывод, что рассматриваемую проблему целесообразно решать в направлении единства структурно-кинетических, феноменологических и экспериментальных подходов.

Оптико-механические готода измерения характеристик течения, не возмущающие специфический поток полимерных жидкостей, обосновываются гак наиболее достоверные и перспективные.

Разработанный в диссертации комплекс бесконтактных оптических методик исследования течения полимерных жидкостей позволил рассмотреть особенности их нелинейко-вазкоупругого по-ведешш в различных условиях пространственно-временного деформирования в каналах (стационарные, неустановившиеся, осциллирующие, пульсирующие, переходные, нестаоилыше, течения в каналах с кавернаш и т.н.).

Предварительный анализ опытных и литературных данных в условиях однородного сдвигового малоашлитудного деформирования полимерных зкидкостей показал, что исследуемые режимы течения имеют специфику и реоданашческяй признак. Стационарное течение может быть описано (дополнительно к) свойством переменной текучести (рис.3,4) и, как следствие, неоднородное течение в каналах характеризуется однопараметрическим семейством профилей скорости (рис.5), коэффициентов сопротивлений (рис.?), теплоотдачи (рис.6) с параметром dTcrlf^J^jR^ У411-тывавдим нелинейно-вязкие свойства, среды. Неустановившиеся стационарные потоки характеризуются удлинением реодогнамическо-го начального участка (рис.10) и дополнительно параметром^^е» учитывающим упругие свойства полимерных жидкостей. В нестационарных, например, осциллирунцшс, переходных (рис.2) течениях полимерные жидкости pie проявляют релаксационные свойства. Характеризуются эти течения зависимостью от временного масштаба деформирования и дополнительно параметрами /чб^,, оОб (см. уравнения (б) и (7)).

JJjuí условий йб > -У полимерные жидкости не успевают "забывать" первоначальные состояния и проявляют новые эффекты: колебательный переход динамических характеристик течения к свош стационарным значешшы (рис.2), резонансные эффекты

(рис.19), возвратные течения при сбросе давления и т.п.

Течение полимерных жидкостей в каналах переменного сечения происходит с изменением динамических и кинематических характеристик потока. На основной поток накладываются стационарные вторичные течения (рио.24), обусловленные пространственной релаксацией напряжений.

С ростом скорости сдвига в расширяющихся частях канала возникают нестационарные (нестабильные) вихревые течения. Экспериментальных работ на эту тему практически нет. Массообменные процессы между основным потоком и вторичными течениями в этих условиях деформирования не изучены дата качественно.

Ососые свойства полимерных жидкостей (зависимость текучести от напряжения сдвига, реологических свойств от температуры, способность накапливать подводимую из вне упругую энергию и релаксирозать напряжения) приводят как к положительным, с точки зрения интенсификации процессов переноса, так и нежелательны:.! нестабильным эффектам (вихревые структура на входе в канал, дробление, искажение, раздутие струи на выходе из канала тр:щ-машин л т.п.). Нестабильные течения полимерных жидкостей сдерживают производительность многих технологических процессов (экструзия волокон, пленок, изоляция, соэкструзия полимеров и т.п.). Однако лишь в последние года они стали предметом систематического изучения. Важно установить причины возникновения и условия развития этого недопустимого дня зкструзиошюй технологии явления.

Критические условия возникновения нестабильности по внешним признакам ее проявления на выходе из каналов изучались реологическими и поляризационно-опгическими методами, варьируя при этом величину заходного утла, форму и длину каналов (Тор-делла, Еаглей, Метцнер, Г.В.Виноградов, А.Я.Малкин, М.Л.Фридман и др.). Предложены различные механизмы возникновения нестабильности: механизм линейной неустойчивости, автоколебания, механизмы связанные с краевыми и реологическими эффектам! (Г.В.Виноградов, А.Я.Малкин, А.И.Леонов, В.А.Городцов, С.А.Ре-гирер, Хора - Ямамото, Иаксвелл-Шльт и др.).

Поскольку нестабильность проявляется только у нелинейно-вязкоупругих жидкостей, то эластичность, как специфическое свойство течения полимерных жидкостей, считается существенной

частью всех предлагаемых механизмов возникновения нестабильности.

Б отличие от ньютоновских аидкостей, нелинейно-вязкоупру-гие полимерные ¡шдкости в безынерционном рент,те пульсирующею течения откликаются на амплитудно-частотное воздействие относительным (по отношению к стационарному) увеличением расхода (рис.18,19). Эта особенность нелинейно-вязкоупругого поведения полимерных жидкостей стала предметом пристального изучения дая целей транспорта и интенсификации процессов тешюмассопереноса (Барнес-Уолторс, Фав-тьен-Дадек, Шульман-Хусид, Эдвардс-Ушх-юшсон е др.). Экспериментальных работ на эту телу крайне мало ж вопрос все ецэ находятся в стадии накопления фактов. Тем не менее, безотносительно к частоте внешнего воздействия, модно сделать общий вывод о том, что в области небольших градиентов давлений, с ростом их абсолютных значений и квадрата амплитуд рульсацкй, имеет место увеличение относительного расхода. Однако энергозатраты при этом такке возрастают.

Основной вопрос проблемы переноса полимерных жидкостей заключается в замыкании законов сохранения, которые в рамках настоящего исследования представлены следующей системой уравнений : ДЕигения

неразрывности

(2)

конвективного тепломассопереноса

_/>Ср(д4Т + , СЧ; = -Ад,Т) (3)

Зашкание системы уравнений (1-3) сводится к построению реологической модели, связывамцей тензор напряжений с теызором скоростей деформаций.

Следует заметить, что из-за многообразия и сложной природа полимерных систем, говорить об универсальном реологическом уравнении состояния дая прнлогений, видимо, пока не целесооб-. разно. Здесь кшет смысл говорить о классах полимерных сред, ЕЭДелешшх по основным фундаментальным свойствам, простые реологические соотношения которых совместно с заказами сохранения удовлетворительно бы списывали достаточно пороки!! класс их течений. . _.........

Феноменологический путь, стимулируемый запросами практики, привел к определенным успехам. Сформулированы некоторые общие принципы феноменологической реололпг- (Трусделл, Олдройд, Грщ-Рлвлин и др.), предложены реологические модели иптегро-дифференциального (Оддройд, Кодеман-Нолл, Метцнер, Маэдснальд-Карро, Сприггс и др.) и термодинамических типов (Берпштейн-Запас, Циглер, А.И.Леонов). Адекватность моделей наблюдаемым явлениям в нелинейной области дефоржрования стремятся достичь введешгем в реологическую модель экспериментально определяемых релаксационных функций, различных дифференциальных операторов (Олдройда, Яумана, Прагера и т.п.), мер деформации, приводящих, к тензорной нелинейности исходной реологической модели.

В части обзорной главы рассмотрены некоторые модели сплошного континуума, проанализированы их свойства достоинства и недостатки. К сожалению, полученные на основе обобщенных моделей результаты являются сложными- и мало обозримыми. Трудности математической реализации этих моделей при решении конкретных задач заставляют вводить в них существенные упрощения.

Наряду с общими теориями и моделями строились их частные варианты (Ривлин-Эриксен, Максвелл-Олдройд и др.). Однако вопрос об их применимости для широкого класса течений остается открытым.

Для практических целей предложено большое количество не-лннейно-вязких эмпирических моделей. Распространенные из них модели Оствальда-де Ваале, Шведова-Ешгама-Кэссона, З.П.Шулъ-мана, Кутателадзе-Попова-Хабахпашевой и др.

На основе этих моделей и аналогичных им физических нели-нейностей найдены точные и приближенные решения некоторого класса задач, в тш числе в теории динамического пограничного слоя, сфорлулированы и решены некоторые автомодельные задачи. При этом используются: метод интегральных соотношений; метод разложения в ряда; метод последовательных приближений; метод малых возмущений и различные варианты' численных расчетов. Для оценки влияния реодшамического фактора на закономерности теплообмена успешно привлекается гипотеза тонкого теплового пограничного слоя.

Положительной чертой эмпирического подхода является возможность проведения количественных расчетов непосредственно по

данным измерешш свойств реальных жидкостей. Однако нелинейно-вязкие модели не вскрывают влияние фундаментального свойства среды-вязкоупр/гости на характеристики переноса и поэтому не имеют предсказательной силы в случае описания течения отличного от того, в котором эта модель получена.

Феноменологические и молекулярно-кзшетические подходы, при более глубоком проникновении последних в механизм процесса, должны привести к одинаковому конечному результату. К сожалению, молекулярно-клшетические подхода, получившие успешное развитие при изучении физических характеристик течеыш слабоконцентрированных растворов полимеров (Каршн-Слонимский-Рауз, Зиял, Дой-Эдвардс, Дода-}1мамото, В.Н.Покровский и др.), для концентрированных пол!шерных жидкостей (с взаимодействующими цепями полимеров) недостаточно развиты даже в линейной области их реологического поведения. Поэтому микроскопические подходы к решеншо рассматриваемой проблемы не развиты и до cía пор не используются.

Несмотря на определенные успехи в изучении реологических свойств отдельных полимерных жидкостей, в силу большого их многообразия и практических условий течений, а также недостаточно надежной и полной информации о протекающих при этом физических явлений, возникает необходимость в постановке и проведении обобщающих теоретико-экспериментальных исследований как в вопросах реологии и движения, так и в вопросах тепломас-сопереноса в различных осложняющих процесс условиях.

2. РЕ0ДИНА;.1ИЧЕСКНЕ И ТЕ1ШШЗШЖИЕ СВОЙСТВА ПОЛШЕРНЫХ ЩИКОСТЕЙ. ОБОБЩЕНИЕ Р1ЗДШ1АШЧЕСКИХ СВОЙСТВ НА КЛАСС ПОШЛЕРШХ ЖИДКОСТЕЙ

В условиях однородного сдвига изучены свойства и динамика поведения цирокого класса полимерных жидкостей: водных растворов полиакриламида ПМ, С -0,5 -3,5%), поливинилового спирта (ИБС, С -2,3 и 4$), натриевой карбоксиметилцеллюлозы ( //а - КЩ. С =1,25$), ьязкоуиругого разделителя, высоко и малопарафпнистых нефгей, полиоксиэтилена ( С- =1%), раствора натурального каучука в бензине.

На основе литературных (табличных) данных проанализированы реодинамические свойства раствора полиыетакрилата в бензо-

ле, раствора этялцеллулоэы в цшслогексане, раствора полпизсбу-тилмзтаирилата в дибутллфталате, синтетического латекса, крахмала в глпкозе, битумной жидкости, расплава полиэтилена, поли-оутадаена я др.

Свойства исследуемых полимерных жидкостей определены в стационарных установившихся течениях на ротационном вискозямет-ре Реотест - 2 (ГДР) и капиллярных вискозиметрах в диапазоне £ =15 - 70°С.

Систематические измерения реодинамических свойств растворов ПАА, кроме того, проведены хсак в стационарном, так и динамическом режимах деформирования на ротационном реометре Инст-рон ^3250 (Англия) с работам узлами конус - плоскость и диск-диск. Опыты проведены при таких видах однородного линейного де-(гоширования, при которое должна проявиться основная совокупность реодинамических свойств, определяющих нестационарные процессы тегтомассопереноса полимерных жидкостей в каналах: стацп-онарный, переходной, осциллкрухпий и режим релаксации напряжений.

Во-первых, установлено, что все рассмотренные полимерные жидкости в стационарных установившихся течениях проявляют существенную зависимость вязкости от скорости сдвига, а также зависимость реологических свойств от температуры и концентрации полимера, т.е. НВ свойства (рис.1,3,4).

В условиях стационарного и малоамплитудного осциллирующего дефорлнрования с известной кинематикой течения определены области изменения градиентов скоростей и частот колебаний, в которых исследуемые раствор! ПАА проявляют НВ и НВУ свойства

£((7). ^(С;. 2'С63)» г" СО) . Результаты опытов сопоставлены с модельным расчетом (рис.1). Показано, что между напряжением и скоростью сдвига в режиме линейного осциллирующего дефорлнрования, как следствие релаксационных явлений, возникают разовые смещения.

В переходном режиме течения (рис.2) напряженное состояние растворов ПАА характеризуется касательным Т и первой разностью нормальных Ц( - Р^ напряжений. При мгновенном приложении скорости сдвига развитие X во времени происходит интенсивнее - лишь вначале. При прекращении деформирования все напряжения релаксируит: ТГ релаксируют интенсивнее р., - Р?2

При значительном скачке скорости сдвига переход динамических характеристик к новым стационарным значения.! осуществляется в колебательном режиме с затухающей амплитудой. Установлено, что исследуемые растворы ПАА обладают значительными временами перехода к новому равновесному состоянию как при сбросе, так и при приложении градиента скорости сдвига.

Коэффициент теплопроводности (также плотность, теплоемкость) растворов ПАА, Л/&-КМЦ, ПВО, измеренный в диапазоне t =15 - 70°С, практически не отличался от коэффициента теплопроводности растворителя.

Таким образом, вискозе.:етрлческке измерешш показали, что в зависимости от условий деформирования исследуемых полимерных жидкостей в каналах, терыореодинамический фактор будет проявляться посредством зависимости вязкости от скорости сдвига, реологических свойств от температура (концентрации) полимера, > возникновения разности нормальных напряжений и релаксационных ' явлений.

С целью разработки практических методов расчета процессов | переноса полимерных жидкостей в различных условиях неоднородао-, го сдвигового течения в каналах, в работе вначале поставлен и I решен вопрос о реологическом обобщении и простейшем описании

■ их нелинейно-вязкоуиругого поведения в стационарных (равновес-

■ ных) условиях деформирования.

Анализ многочисленных опытных данных по вискозиметрии полимерных жидкостей показал, что вязкость является более сложной функцией градиента скорости (касательного напряжения) сдвига, чем обратная ей величина текучесть Ф - . Поэтому обобщение экспериментальных данных и разработка феноменологической теории течения и теплообмена полимерных жидкостей в равновесных условиях деформирования проведены в плане построения реодинамической модели о связи между текучестью и касательным напряжением сдвига. Кроме того следует иметь в виду, что касательное напряжение сдвига в каналах легко определяется из соотношения баланса сил, действующих на элемент жидкости, безотносительно к ее свойствам. 2

Коэффициент нормальных напряжений О^ (у (рис.1)

также представляет собой сложную (более чем квадратичную) функ-

■ цию скорости сдвига.

Важной характеристикой напряженного состояния в стационарных неустановившихся потоках полимерных жидкостей является величина обратимой, упруго!! деформации жидкости.

На основе проведенных экспериментов и обработки табличных опытных данных ряда авторов в большем разнообразии полимерных жидкостей обнаружен класс.с экспоненциальными законами текучести (рис.3) и упругости. В практически интересном интервале на-пряжешш сдвига (температур, концентраций) выделен широкий подкласс полимерных жидкостей с линейными законаш текучести (рис.4) и упругости, удобными для разработки аналитических методов расчета.

3. СТАЦИОНАРНЫЕ УСТАНОВИВШИЕСЯ ПРОЦЕССЫ ТЕЧЕНИЯ И КОНВЕКТИВНО-' ГО ТВДКШССОЛЕРЕНОСА ПОЛШШШХ ЗИДКОСТЕЙ В КАНАЛАХ. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА

Построена полуэмпирическая теория нелинейно-вязких (равновесных) режимов течения и конвективного тепломассопереноса широкого класса полимерных жидкостей в каналах.

Исходя из систеш уравнений (1)-(3) и линейного закона текучести (рис.4), для которого .

сха = $,(т)/ге(т)[а +м&уфшш ч],

предложена методика аналитического расчета влияния терлореодика-мического фактора на процессы тепломассопереноса полимерных жидкостей при их стационарном неизотер,отческом (изотермическом) течении в каналах. Для практического анализа, расчета, обработки и представления опытных данных получеш простые формулы, опи-сывалщие их течение, сопротивление и теплсмассоперенос в каналах. Например, дгл неизотермического течения в круглой трубе выражения для локального числа Нуссельта и коэффициента сопротивления имеют вид ,

¿"1 0,25-^0,2ПЧ ^у + пО^) ГеЩ

г 60 - 4(Л¥*о.а5)[Л/ + 8№+ о,&) А

^^ (А & +о,2)[и (¿м + о,г.£? Яг0) !

В случае = 0 > ~ ^ формулы описывают

изотермическое течение нелинейно-вязкой жидкости, а дополнительно при П_ =0, ( =1) они переходят в известные выражения дая обычных ньютоновских жидкостей.

Впервые в рамках еддаого приближения, в широтам диапазоне определяющая процесс параметров проаназззцрогано влияние кош-лекса терлореодинамических факторов (реааогичеаск свойств, не-Езотердтаости, кинематических и тепловых граничных условий, направления теплового потока) на основные характеристики течения и конвективного теплокассопереноса полимерах Ездкостей в плоских и круглых каналах.

Установлено, что относительный профиль скоростей, коэффициент сопротивления и теплоотдачи зависят не только от реологических свойств, но и параметров течения, дозволяющими управлять процессами переноса. С их ростом в изотермических условиях течения безразмерный профиль скоростей становится более заполненным (Э У 0) или вытянутым (9^0) (рис.5), коэффициент теплоотдачи возрастает на величину X (рис.6), а сопротивление падает (рис.7). При прочих равных условиях нарастание теплового пограничного слоя (Д ) полимерных жидкостей в каналах происходит медленнее, чем для обычных ньютоновских жидкостей.

Дано условие скольжения на стенке. С ростом скольжонпя коэффициент сопротивления потока может суцоствепно падать лиаь пры низких числах Реиюльдса ( Яе0<1). В диапазоне 0,1 I

коэффициент сопротивления уыеыьпается примерло в 2 раза. Коэф- . фициент теплоотдачи при этом возрастает на 30-40/!. Показано, что с$фекту скольжения полимерной жидкости на стенке канала способствует загаси:,:ость , нскзотермггаость, уменьшение

поперечных размеров канала.

Изменение форлы х'лкала с плоской щели на круглую, при прочих раЕЛПх условиях, слабо влияет на относительный косффгцпепт сопротивления т. теплоотдачи. Изменение относительных характеристик сопротивления к теплоотдачи при нагревании /<-Р0 > \ ) всегда бельке, чем при сисздешш ^ 1) (Р30-^»6)-

Неизотермичность, функция нензотермичности - ^ (7 ) при определенных условиях, сказывает более существишое влияние на характеристшси сопротивления и теплоотдачи,•чем зависимость текучести от напряжения сдвига ^х) . Распространенная оцен- р ка влияния неизотермичности лишь по одному симплексу оказывается не полной; необходимо при этом учитывать влияние параметра течения (т.к. ЭС/О. ).

4. ЭКСДЕЖОШТАШЮЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕ0ДИНА1Л1ЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ • ХАРАКТЕРИСТИК СТАЦИОНАРНОГО ТЕЧЕНИЯ 110ЛШЕРНЫХ ЖИДКОСТЕЙ В КАНАЛАХ. РАЗРАБОТКА ЗКСПЕИП/ЖГАЛЬШХ МЕТОДЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕЧЕНИЯ В РАаШШХ УСЛ0Е1ЯХ ДО2ШШ)-ВАЕИЯ. ПРОВЕРКА РЕЗУЛЬТАТОВ МОДЕЛЬНЫХ РАСЧЕТОВ

Методики расчета нелинейных многопараметрических процессов переноса полимерных жидкостей обычно сопровождаются опре-делешшмл допущениями и предооложениями, в частности о том, что установившееся стационарное течение полимерных жидкостей в каналах характеризуется линь нелинейно-вязкими свойствами.

Скорость течения является опрзделязсцей характеристикой процесса конвективного тепломассопереноса. В данной главе разработаны и вперше систематически использованы оптические методики для исследования кинематических характеристик и структуры течения полимерных жидкостей. С их помощью установлена достоверность аналитических результатов расчета.

Особые свойства полимерных жидкостей (упругость, прядо-мость, коагуляция), различные типы течения (стационарные, не-уста^овивщиеся, неодномерше, пульсирующие и т.п.), встречающиеся в практике переработки и транспорта полимерных жидкостей, предъявляют к методам исследования их характеристик течения два основных требования: быть бесконтактными, т.е. не вносить в поток дополнительных возмущений; давать возможность проводить пространственно-временной анализ течения.

Разработан оптико-механический метод измерения осреднен-ного во времени профиля скорости при ламинарном (турбулентном) течении жидкости в канале. Принцип измерения скорости основан на кажущейся остановке изображения в плоскости светового ножа очень мелких частиц, за счет обратного (направлению течения жидкости) вращения прозрачной многогранной призмы, установленной между объективом и фокальной плоскостью окуляра на пути

ограненных от частиц световых лучей.

Модифицирован метод стробоскопической визуализации, раз-работашшй в ИТФ СО АН СССР, позволяющий получать не только пространственную, но и временную инфорлацшо о стр^туре и характеристиках течения жидкостей (осциллирующие, пульсирующие, нестаоильше течения, потоки с ускорением, замедлением). Отот вариант метода позволил впервые получить не только мгновенные и статистические характеристики течения полимерных жидкостей вблизи стенки ( 10 - 20 ыкм), но и проследить характер изменения скорости течешш и ее производных во времени.

Оптико-мзханическим методом в стационарных и иеустапов -сихся течениях измерены поля скоростей растворов IBC, fs/o. -ШЦ; методом строооскоиической визуализации в стационарных, неустановившихся, осциллирующих, пульсирующих, нестабильных течениях - поля скоростей растворов 1IAA различных концентраций (рис. 13,16,23,24,28).

Для этих же полимерных жидкостей измерены численные значения коэффициентов сопротивления (pic.7), а также теплоотдачи (рис.6) при их квазиизотерюгчеоком установившемся течешш в термическом начальном участке плоских и круглых каналов (тепловое граничное условие второго рода).

Опыт подтвердил теоретический еывод о том, что профиль скоростей при стационарном установившемся течении полимерных жидкостей зависит только от их нелинейно-вязких свойств. Не-линейно-вязкоупругае свойства (динамическая анизотропия) полимерных жидкостей в этих условиях течения не оказывает влияние на формирование профилей скоростей, на величину коэффициента сопротивления и теплоотдачи.

Для одной и той же полимерной жидкости имеет место зависимость безразмерных профилей скорости, коэффициентов сопротивлений и теплоотдачи от параметра течения.

Опыт показал, что в пределах линейного закона текучести влияние зависимости реологических коэффициентов от температуры (неизотершгшостъ) может оказывать более сильное влияние на деформацию профиля скоростей, чем собственно нелинейно-вязкие свойства'полимерных жидкостей.

Экспериментальные результаты удовлетворительно согласуются с расчетными закономерностями, полученными в соответству-

ющих условиях течения. Для практических целей расчет, анализ л обработку экспериментальных данных по течении, сопротивлении и теплоотдаче полимерных жидкостей в нелинейно-вязких (равновесных) режимах теченш в каналах можно проводить в соответствии с рекомендациями изложенными во II и Ш главах.

5. ПЕРЕХОДНЫЕ, НЕУСТАНОВИВШИЕСЯ ПРОЦЕССЫ ТЕЧЕНИЯ И КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛаААССОхГЕРШОСА ПОЛИМЕРНЫХ ЖИДКОСТЕЙ В КАНАЛАХ. РАЗРАБОТКА РЕОДИШЖЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА И ЕЕ ЭКСПЕРШЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕК.ЮРЕ0Дт'П1ЧЕСЮ1Х ИССЛЕДОВАНИЙ

Реодинашческие исследования (гл.П) показали, что в изотермических условиях полимерные жидкости наряду с зависимостью вязкости от скорости сдвига (НВ свойства) проявляют НВУ свойства (возшпшовение анизотропии нормальных напряжений) при переходных течениях и релаксацию напряженного состояния при нестационарных (неравновесных) течениях.

В общем случае течения полимерных жидкостей в каналах (ноустаноЕлвииеся, нестационарные и т.п.) реодинамическал модель должна отражать влияние всех этих факторов на процессы переноса.

Иодель построена с учетом позитивных достижений молекуляр-но-кинетяческш: и феноменологических подходов. Основная идея построения модели заключается в описании реодинашки нелпнейно-вязкоупругого поведения полимерных жидкостей в поле сдвиговых, энтропийных и диффузионных сил вначале в малом, на структурном уровне, что достигается значительно проще (в силу малости масштабов структурных элементов течения, чисел Рейнольдса л т.п.), а затем пространственным осреднением в области существования функции распределения плотности вероятности этих элементов течения перейти к макроскопической связи между тензором напряжения и тензором скоростей деформации.

На основе флуктуационной сеточной модели (рис.9), отражающей специфику строения растворов высокополимеров в низкомолекулярном растворителе, представляющей собой совокупность эффективных узлов (сегментов) трения, пространственно сочлененных между собой эластичными субцспями с кинетической жесткостью, получено шражеш!е для тензора напряжения (4), определяемого через моменты функции распределения плотности вероятности поло-

гения узлов трения, и кинетическое (релаксационное) уравнение (5) дан этих моментов. Входяшде в систему уравнений структурные коэффициенты ( & , 22 , оЬ ) имеют физический смысл, и мо-1ут быть определены из опыта через измеряемые макроскопические величины.

В результате, разработана структурно-феноменологическая модель (1-5) для исследования влияния комплекса (нелинейно-вязких, нелднейно-вязкоупругих, релаксационных) реодинамичес-ких факторов на нестационарные процессы конвективного тепло-

шссопереноса полимерных жидкостей

+ (4)

На основе модели вначале изучена реодинамика переходного и осцпллирущего режимов деформирования типа Куэтта. Такие течения близки по характеру в практике пуска и остановок дисковых экструдеров, ротационных смесителей, при подъемно-опускных работах в нефтедобыче, в различных элементах робототехники, смазки подшипников скольжения, амортизационных устройств и т.п. Результаты расчетов сопоставлены с известными феноменологическими теориями и подтверждены опытами.

Теоретически показано, что напряженное состояние стационарного течения Куэтта полимерных жидкостей характеризуется и Ри - Ргг , а нестационарного дополнительно Р33

То есть, даже в простых условиях деформирования напряженное состояние нелинейно-вязкоупругих полимерных жидкостей имеет сложный пространственный характер. При этом

Х^х.УО^ФИФ) ~Р0*6Ю-1)-Х&Ь<Ш О О 0 - Ро

Здесь

0,5б"<(А+2зс,6-а+6) В О

В -05а,(А+2эг1Б-а-&) О

О ' 0 1

Л = fr.expfaQy^ezp&t)-,& =

а--(1 + о,5Л)С-; 6---0MG;^MX^fa^J1)/^-?,)

Отсюда следует, что нельзя осул^ствнть сдвиговое течение полимерных жидкостей, не прикладывая (снимая) дополнительных усилий, направленных перпендикулярно six основному течению.

Подтверждено, что в переходном режиме со временем вначале растет интенсивнее, а затем медленнее, чем Ри-Релаксирует Рц ~ Р22 медленнее, чем £12• Показано, что в зависимости от величины числа c?c£jCl&| ' н СОЗ! £ P.JT тлеет место плавным, "одногорслшй" и волновой переход всех динамических ха-рактерисгик течения к свошл стационарным значениям.

Подтвержден извест!шй пакт о тем, что в осциллирующем режиме течения,несмотря на знакопереметшй характер зависимости

2 (t) , первая разность нормальных напряжений всегда остается положительной величиной и осциллирует с частотой в два раза превышающей заданную. Расчет динамики установившегося осе-спмметричного осциллирующего рекша течения показал, что в этих условиях деформирования величина Рг2 ~ мала и связшпше с ней релаксационные явления незначительны.

Теоретически показано, что при течении полимерных жидкостей в каналах по его сечению (под углом ^ ^ YI& (рис.9) к направлению течения) формируется среднестатистическая ориентаци-онная структура, которая управляется ориентадаошшми(£^С^2^ механическими и дезориентационными (КТ) тепловыш явлениями. Установлены связи между внешними параметрами течения и среднестатистической ориентацноннной структурой. Выявлен мехаш1зм не-линешо-вязкого и нелинеяно-вязкоупругого поведешш полимерных жидкостей: первая разность (динамическая анизотропия) нормальных напряжений возникает вследствие отклонения эффективных узлов (сеплентов) тренш^ полимерных цепей от их равновесного положения ¿(^¿Xj) ~ ОI,)) ; вторая разность нормальных напряжений возникает из-за относительной скорости смещения этих V3-лов o^<XLXK>eK. + ёи<хкхр).

Кинематическая жесткость является источником нелинейной вязкоупругости полимершх жидкостей, обуславливающая зависимость текучести от напряжения сдвига и возникновение второй разности нормальных напряжений.

¿]дна физическая интерпретация полуэмпирпческим моделям, предложенным для разработки'прикладных методов расчета (гл.Ы). Показано, что зависимость обусловлена ориентациошшми

яшенияш среднестатистической структуры. жестких полимерных жидкостей ( о. > 10 ) орлентацлонкые явления суцествешю увеличивают текучесть и уменьшают сопротивление трения.

Показано, что предложенная структурно-феноменологическая модель течения полимерных жидкостей удовлетворггельно описывает результаты малоамплитудного осциллирующего, переходного, стационарного установившегося и неустановившегося эксперимента.

Установлено влияние реодннамического ^актора на закономерности течения, сопротивления н тепломассопереноса полимерных жидкостей на участке реодинамической и тепловой стабилизация в каналах неоолыиой протяжешюсти. Анализ предложенной системы уравнений позволил Еыделить систему безразмерных комплексов, характерлзукцих подобие реоданамическш: процессов тепломассо-переноса полимехши жидкостей в зги условиях деформирования.

Окспериментальные и расчетные дан1ше показали, что при стационарном неустановившемся течешш нел;гнейно-вязкоупругих полимерных жидкостей в каналах, длина участка реодпнампческой стабилизации оказывается больше, чем для обычных жидкостей (рис.10). В этом случае течения расчеты, выполненные на основе интегрального соотношения импульсов

■ия/и = £^пУ/с)(Х) показали, что с ростом эластичности /^относительный ко-

эф;лщ:1епт сопротивления С^/С^на участке реодинамической стабилизации возрастает, однако с ростом нелинейно-вязких свойств J}> /R&0 он падает (рис.Юа). Из-за роста градиента скорости на стенке относительный коэффициент тенлоотщт/\f/J.//\[nn с ростом jijF\GQ и WS./Rß0 увеличивается (рис.Мо) . Kai; и следовало отдать, за пределами начального участка Rt0 влияние эластичных свойств жидкости V/qI Rß па. сопротивление и теплоотдачу пренебрежимо мало.

Такт.! образом, соли стационарное установившееся течение полит,герпых жидкостей каналах определялось (гл.111,17) только их нелинейно-вязкими свойства-ли (о;ца:м силовым фактором-£ ), то неустановившееся стационарное течение определяется иелннеп-НО-1»!ЗКОупруГ1"СТ СКОИСТВа'ли (дополнительно I',, ~ ; îj.j )• lip! этом динамическая анизотропия в пограничном олоо усиливает все процессы переноса (ишульса, тепла, массы).

6. ШЮТАЦШЙКШ «IPOuiiCJOJ TjJLJHfli И KOIIbiiiT!h£IOrO T£'.Uiiî.uiOCO-IKFKiOCA ЛСШШРШХ яИДКОСТИл Ь KAHAJiAX. РАЗРАБОТКА К Г-jCC.iî-;— ЕыЫГГАЛЫШ! иРОЛШСА ГЛаТОДЖИ HCCjuùUOU/UâL-i ¡ME-IO^/LiGiaiA

тачшЛ. радяткд. яшшиш. адкаяий з kaîïajlaà и .lài';;-

Периодические (пул].с ipyianjne, осциллирупцие) течемшя полимерных жидкостей распространены и интереезш с фяизческоП точ:си зрения. В этих относительно прости." типах деформпрокашш проявляется практически весь комплекс их реодинамичесюгс свойств.

Немногочисленные расчетные и опытные данные свидетельствую? о тог.., что пульсации градиента давлешш могут приводить к увеличению ¡исхода полимерной жидкости но сравнешш с сс стационарным расходом upci том же среднем значении перепада давлешш. Естественно, что интенсивность тешюоомена при этом также будет увеличиваться.

Выполнено экспериментальное исследование реодинашгл КС-Стационарного ре;:ама течения полимерных жидксстс:: г кат^-ах. Разраоотана экспериментальная методика исследования в.ти'я;:лл реологически?: свойств и внешних параметров пульсирумцег!; (с;о-циллирущего ) воздействия па характеристики течения нолимер-ннх тждкостеп в каналах. Иетодика позволяет повысить точность измерения и скорость ооработкд результатов, используя кенрпр.'в-ный ввод мгновенного сигнала градиента давления n bii.! с сштхуон-нш.т измерение': профилей скоростей потока.

lia основе разработанной модели проведен критериальны¡1 анализ и вклвленц велячияы подобия иериодичес.чого режима течения полилершх жидкостей.

Лслагач, что вязкость растворителя намного меньше шз-кости полимерного раствора, а кинетическая жесткость незначительна ai ^ I , система терЕЛореодакам;пocxct урагаюплЛ

(1-5), используемая для решения задачи об одномерном установившемся пульсирующем течении и теплообмене полимерной жидкости в круглой трубе с известным осредненным перепадем давления вдоль оси трубы, имеет вид

1 -дКапО * о,5Уе" гс^^ ^=&<х;*-Х (6) Же8,<х^> = 1л/е<х^>у|, - 2ае-^), (7) + Рет/^Т = дчТ (8)

Опыт с растворами ПАЛ показкл (рис .11), что относительное превышение расхода I является линейной функцией А2. Кроме того, для исследуемых концентрированных полимерных жидкостей выполняется условие подобия ЗС - 'Т. (ТО (рис. 12). Вследствие этого набор безразмерных величин, определяющих подобие пульсирующего режима течешш полимерных жидкостей в трубе при известном перепаде давления, сокращается и тлеет вид

(9)

1/А" =

Предложена приближенная методшеа расчета пульсирущего (осциллирующего) режима течения и теплообмена полимерных жидг костей в круглой трубе. Теоретически проанализированы варианты течешш (теплообмена) в зависимости от соотноиения величин подобия. Проведено сравнение результатов расчета с опытом. Сравните опытных профилей скорости с расчетными (рис.13) по квазиравновесной теории (гл.Ш) показало, что при описании нестационарных процессов переноса полимерных жидкостей в определяющих уравнениях необходимо учитывать релаксационную кинетику процесса течения. Показано, что в области Юб ^ 1 предложенный вариант сгруктурно-феноыенологпческой модели удовлетворительно описывает опытные данные (рис.1,2;14-17).

В неоднородных сдвиговых потоках экспериментально и теоретически изучено влияние осредненного градиента давления, частоты, амплитуды, формы пульсирующего сигнала градиента давления на профили скоростей, относительное превышение расхода, на энергозатраты. Установлена возрастающая (нелшешю-вязко-упругая) и убывающая (иперцио1шая) зависимость относительного превышения расхода I /А 2 от числа \л/в и оЬО. (рис. 15,18,19); безотносительно к форме пульсирующего сигнала установлена ли-

ненно возрастающая зависимость I / А2 в широком диапазоне изменения А" (рло.П); с изменением формы сигналя с синусоидальной на прямоугольную форму величина I/А , при прочих равных условиях, увеличивается примерно в два раза (рлс.15). Пульсации скорости существенно увеличивают теплоотдачу в области чисел Рб •С|(л СЗ (рис.СО). Установлено, что увеличение теплоотдачи с ростом чисел Же (pnc.2D.We, ЕС находится в соответствии с характером изменения относительного превышения расхода (рис.19). Показало, что методу динамическими и кинематически;."! характеристиками течения уме при низких частотах колебаний { ^ ~ 0,15 Гц) возникают фазовые смещения (рпс.22), обусловленные релаксационными явлениями.

ГГрп экспериментальном исследовании пульсирующих течекн:'! установлено, что илтенсгга'ость процессов переноса полимерных ::ндкосте»1 зависит от «Твян течения; в йпзах ускорения потека профиль скоростей пенсе заполнен, чем в фазах" замедления (р::с.23). Сто обстоятельство связало с разно;: интенсивностью релаксациокнил: процоссоз в стадии нагружешш и разгрузки в течение периода пульсацпв.

Пульсирующий рел.им течения пенпжершк жидкостей оказпзается выгодным с точки зрения интенсификации процессов конвективного теплсмассопореноса г не виго,*зшм с точки зрения относительна энергозатрат па их перекачку.

В результате те<урстико-окспери:.:ек?ального исследования: по величинам подобия ЕГ, Я)е выявлены режимы

^■¿А {) пульсирующего течения, в которых имеет место супествкшое увеличение расхода (теплоотдачи) по сравнен;':) со ехшдеоиершш течением при тех же перепада:: дпг-ленил. СЗка^упек резонансный режим течения (кривые 1,2 рис. 1С).

'.!-.: 'оделыпл: стендах изучены особенности переходного течения не.гпг>."ио-г.тзкоупругке полимерных жндкостег з каналт: с :<а-герна.-дт при1 елы-го к вопросам оптимизации режима вытеснения бурового рггтлора в нефтепромысловой механике.

'.етодс стробоскопической визуализации в впроком диапазоне чисел лреведено исследование кинематичееккх характеристик

течения "одоглпцерипозого раствора, раствора ЮЛ, вязкоупругого разделителе'-; в каналах, содержащих гаяорчу прямоугольно;! и клад-

ратной форш. В исследуемом диапазоне чисел /лв характер течения ньютоновских и иелинейно-вязкоупругих жидкостей существенно отличаются друг от друга.

С обработкой данных эксперггюнта на Ж<1 получеш! результаты о мгновенных векторных полях скоростей, структуре течешш этих жидкостей в прямоугольной и квадратной кавернах (рис.24).

Показано, что движение полимерных жидкостей в каналах с каверна!.!! является переходным релаксационным процессом.

Способность полимерных жидкостей б процессе течешш накапливать подводимую извне энергию и релаксировать напряжения, приводит к более интенсивному вытеснению из каверны в том случае , когда число &£)£ = 324 1 . Ятя чисел Я)В > 1 вязко-упругий поток не успевает за характерное время процесса .отре-лаксировать и эффект вытеснения сикается. С дальпейпим ростом скорости потока возникает просгранстветыл. нестабильный режим течения. В этом случае скорость массоосмела между основным потоком и вихревой зоной каверны существенно увеличит ется.

С использованием фотометрической методики изучена динамика процесса вытеснения вязкой жидкости влзкоупругам разделителем в кавернах различных размеров и конфпцураций. Результаты обоб-щеш и найдены оптимальные режимы вытеснения. Показано, что в практически важном диапазоне чисел ¡^в =1С0-500 для полного вытеснения вязкой жидкости из каверны требуется вязкоупругого разделителя в 3 раза меньше, чем ньютоновской жидкости (рис.25).

Обнаружен новый эффект, заключающийся в возникновешш нестабильных пространственных вихревых структур, влияющих на теплоотдачу в лобовой части цилиндра, при его напорном обтекании потоком вязкоупругой жидкости.

7. РЕОДт'.ШКА НЕСТАБИЛЬНОГО РЕШ1А ТЕЧЬЕП ПОШМЕРШХ ВД-КОСТЁЙ В КАНАЛАХ. РАЗРАБОТКА (ШШСКИХ МЕТОДОВ И РЕЗУЛЬТАТУ ИССЛЕДОВАНИЯ

Проведено экспериментальное исследование нестабильного режима течешш полимерных жидкостей в каналах. Последовательно применен модифицировашшй метод стробоскопической визуализации и поляризационно-оптический метод, позволившие впервые подробно изучить структуру, выявить критические условия и развитие нестабильного режима течения полимерных жидкостей по измерению

амплитудных (среднеквадратичных пульсаций скорости) и частотных (спектральных) характеристик потока. Устаноаяено, что нестабильность полимерных жидкостей проявляется в возникновении вторичных течений в иреднходовой области канала, характеризуется незатухащей во времеш1 амплитудой пульсации продольной скорости в каналах (вплоть до L /d ~ 100) и небольштл набором частот пульсации (рис.26).

Установлено, что до наступления явно выраженного нестабильного режима течения полимерных жидкостей в горизонтальных каналах можно выделить три зоны: входную зону с несимметричными мгновенными профилями скоростей; зону стабилизированного течения с симметричным профилем скоростей; зону выхода с областью вихревого течения у нижней крог.жи.

В диапазоне изменения заходшве углов от 6°-90° критическое напряжение сдвига, при котором возникает нестабильность, практически не меняется. Однако с ростом утла (при постоянном t ) амплитуда и частота пульсации осевой скорости увеличиваются (рис.27). Это приводит к изменению интенсивности проявления дефектов струи на выходе из насадка. Выявлена область наиболее "опасных" углов с точки зрения развития нестабильности течения.

Для одного и тего же конического входа изменение длины на порядок не дало заметных расхождений в величине критического напряжения сдвига.

Для коротких каналов ( Jci ^ I) предродовые эффекты оказывают существенное влияние на распределение скоростей и среднеквадратичные пульсащш скорости и, следовательно, на дефекты струи на выходе из насадка. Обнаруженное резкое изменение среднеквадратичных пульсаций скорости вблизи стенки каналов (рис.28), свидетельствуют в пользу известного предположения о пристеночном механизме течения типа"5 t LC К - Sulp Известные сведения о слабой зависимости критического напряже-юш сдвига от температуры также подтверждены настоящими измерениями. При этом установлено, что с ростом температуры амплитуда пульсации осевой скорости потока несколько снижается.

С помоисью разработанного поляризацяонно-оптического способа исследовшпш и диагностики потоков полимерных жидкостей проведен спектральный анализ нестабильного режима течения.

Впервые показано, что этот режим течения имеет частотную структуру. Началу возникновения нестаслглыюсти полимерных жидкостей соответствует характерная частота процесса (одномодовая спектральная мощность пульсации скорости (рис.29)). С рмстом числа 6 количество спектральных мод возрастаем (рис.30). При одном и том же числе с удалением от входа в канал количество спектральных мод сохршхется, однако чаитотшы спектр нес-1;олько ооедпясгся (тлеет место взаимное наложение частот). Автокорреляционные сТ^цшам процесса являются церкодаческяш п не затухающими.

Стробоскопические и иодярнзацнонно-онтпческке нсследоиашш позволили сделать вывод о том, что нестаогишюсть аолшогшх гагдкостой является детершпкроишшшл автокодеоатскышм продос-со;.! не инерционной природы, качало которого безотносительно к геодотрся канала связано с шжерсЯ роо;упаь:«!ческо)1 стабильности течения в йерехо.т$кых условиях деформирования. Хрптопиалкши анализ нестабильного ранима точения с использованием провоженной реодщкампческой модели и оценка критериев на основе проведен-шлх измерений в момент возникновения нестаоилыюсти показали, что ока возникает в том случае, когда динамические возмущения в потоке становятся по величине соизмеримыми со скоростью распространения упругих волк в полимерной жидкости.

ОБОЗНАЧЕНИЕ

^ - компоненты скорости; р„ - изотропное давление; С)^- -

символ Кронекера;уч - вязкость растворителя; ^ =0,5 6 Э£ -

вязкость полимерной жидкости; (У^Х ■) = VI (х) с1V -

моменты функции распределешш плотности вероятности отклонения

узлов (сегментов) тоения от положения влвновесия <ГХ X;) =

п 2. ° с* [к ° 1 аХ-,

=0,25,з 0 < О 0 ** - среднеквадратичный падежу с инерции; ¿с =

= <(Х 1 / 3 2) - характерное время релакеащщ напряжении; - КТ/£ - коэффициент диффузии полимера; о ~ Д-^на сеплонта; 3 ~~ число сеплентов в с/оцепи иошшера; =0,5ПКТ-иод/ль впсокоэластичностп полимера; К - постоянная Больцмапа;

Т - температура; с/ ~ 3 - кинетическая жесткость цепей' полимера; П_ - число оллзлсжалЦ'П: узлов, окружающих рассматриваемый узел - Зл; Р- - иоллш;; тензор капрякешлИ; Т/1 - напряжение, определяемое геологическим уравнением состояния; р -плотность; Ср ~ Удельная теплоемкость; - теплопроводность;

^Роса- текучесть при 7Г -О илиТ~°° ; уц - полный тензор скоростей деформации; - симметричная часть тензора ])■ ■ ;

((}) ~ Функция вязкости от градиента скорости; 0 - коэффициент стабильности структуры; первая, ^"(О))- вторая часть комплексной вязкости; А' - амплитуда, 22 = "36 | "ЭС о» -= с I Со I = (ЦггОо)/ Ц0 . где (Зп и О.о соответственно пульсирующий и стационаршй расход жидкости; - относительное превышение мощности пульсирующего потока; Т2 ~ второй обобщенны!! инвариант тензора напряжешгй; угол ориентации среднестатистической ориентационной структуры к направлении течения;

~ параметр нелинейно-вязкого поведения полимерной жидкости; 0 = - число Рейнольдса; 3)6 =

~ число Деборы; Т* - характерное время процесса течения; \л/б = Т 16 ~ число Бейссенберга; Го - О. "Т^ / о[2 - число Фурье; ¿Г£ = число эластичности; Цв^ = - у/?2/0Г- колебательное число Рейнольдса; индексы "О","сг" или "соответственно _означают условия невозмущенные и на стенке; 11 = 9%| (Ь З^^)0'5-!] ~ ^ круглой трубы;

Г1 - однородный, градиент скорости; -у, - амплитуда скорости де-

£"* у/

формирования; О , О - соответственно толщина вытеснения и

потери импульса; V/ - средняя скорость потока.

вывода

Разработаны расчетно-экспериментальные методы исследования течения и теплообмена полимерных жидкостей в практически ванных условиях дефоршровашя з каналах применительно к интенсивным процессам их получения, переработки и транспорта.

11а основе полученных результатов можно сделать следующие вывода:

I.Проблема интенсивного переноса количества движения, тепла, массы полимерных жидкостей в каналах ото коглилекс структурно-реологических, динамических и тепловых вопросов.Решение проблемы выполнено на основе развития структурно- феноменологической тершреодинашки полимерных жидкостей; включает в себя единство экспериментальных, феноменологических и струк-

турно-кинетических подходов; связано с исследованием и описанием термореодпнамического фактора - иелшюшо-вязких свойств, динамической анизотропии, релаксационных явлешш, степень проявления которых зависит от условий деформирования, характерного временного масштаба, неизотерлнчности и т.п.

2. Получек и проанализирован в рамках структурно-феноменологической термореодинамлкл Сольшой опытный материал о реологических свойствах, особенностях течения, ло.гллышх (фазовых), осредненных кинематических, спе1:гралышх характеристика:; переноса, динамике и решит течения, яшсоцсиорюстя;: сопротигленпя и теплообмена растворов полимеров в широком массе ламинарных течений (стационаров, неустановившиеся, иеисотерлическле, переходные, осщшлгрующые, пульсирующие, нестабильные), в различных геометриях однородного и неоднородного деформировали, внешних параметров нестационарною воздействия (амплитуд, частот, градиентов давлений). Установлено, что особенности стационарного устшгвишегося пеизотерлпческого решила течешя и теплообмена полимерных жидкостей в каналах обусловлена зависимостью вязкости от скорости сдвига (температур;;, ¡ганцентрации), неустановившегося - дополнительно динамической анизотропией нормальных напряжений, нестационарного - дополнительно релаксационными явлениями.

3. Построены экспериментально обоснованные реодшшмические модели для исследования стационарных и нестационарных течении полимерных жидкостей в канатах. Предложены методики расчета влияшя терлореодапашческих факторов на процессы конвективного тепломассопереноса полимерных жидкостей в широком классе их ла-минаршх течений (стационарные неизотермлческие, переходные, осциллирующие, пульсирующие, неустановившиеся). Расчеты позволяют учитывать специфические свойства полимерных жидкостей, определять оптшлалыше термореодцшашческие и геометрические параметры, рабочие режимы течешш в канала:: простых геометрий. Установлено, что стационарные и неустановившиеся процессы переноса, закономерности течешш и теплообмена широкого класса полимерных жидкостей могут оыть рассчитаны па основе предложенной лмально-равновесной теории с использовадаем экспоненциальных

и лннешшх законов текучести и упругости. Нестационарные процессы тепломассопереноса полимерных жидкостей могут быть рассчитаны с учетом их неравновесного характера течешш на основе 36

построенной структурно-феноменологической модели для тензора напряжений с ралаксацпоншм соотношением для внутреннего тензорного параметра.

4. Реиеш хаошстернне задачи реодшашпш и конвективного тепломассообмена полимерных :хидкостей в стационарных (неизотер-:л1ческ:ге, на участке реодпнампческон л тепловой стабилизация)

и нестационарных течепллх (пульеирувдю, однородные осциллирующие, переходные). Получены согласующиеся с опытом обоощешше савлсимооти о влиянии основных термореодшгамнческих ([акторов на профили скоростей, относительный расход, энергозатраты, на коэффициенты сопротивления и теплоотдачу, на динамику переходных течешп, на далиу и развитие реодинашческого и теплового начального участков в каналах небольшой протяженности. Бштснепо глинные комплекса факторов: структурно-реологических свойств, пепзотерглышостп, динамической анизотропии, ш.тплитудно-частот-шх параметров пульсирующего воздействия, граничных условий на основные динамические, кинематические характеристики, закономерности течения, сопротивления VI теплообмена полимерных жидкостей в каналах.

5. Териореодинаш1ческпй фактор существенно влияет на интенсивность и оптимизацию ламинарных процессов переноса полимерии жидкостей в каналах. Выделены режимы течения, найдены области изменения внешних параметров воздействия, когда реоди-намические факторы окапывают влияние на расход, энергозатраты, теплоотдачу. Показано, что с ростом динамической анизотрошях жидкости в пограничном слое усиливаются все процессы переноса (тепла, массы, количества движения). С ростом структурно-реологического фактора сопротивление потока снижается, а теплоотдача возрастает. Пекзотерх.ичпость при определенных условиях может оказывать солее существенное влияние на процессы переноса, чем структурыи-реологическнй фактор. Получены данные об изменения:: интенсивности цроцессов переноса в зависшости от Газы пульсации градиента да:^:о;гхч. Рела'ксацпошгне процессы в полит:ер:ш;: гядкостя:: ятляются основным механизмом, штенсифкцирукотл лалп-нарпиы иассооокен цезду основным потоком и течением в каверна:;. Воздействуя на. реодипамичеекпи фактор, можно улраглять процессами переноса п среднестатистической орпентагдешюй стру:-:;р-рол полимерных жидкостей.

6. Нестационарные(пульсирующие, осциллирующие) течения по-лимерштс жидкостей в каналах вплоть до А2- 0,9. характеризуются числами ЕС, оЭб, М/ё. . В зависимости от соотношешш этих 41 сел возможны нелинейно-вязкие, нелшгейно-вязкоупругие и ¡шеп-циошше режимы течения. На частотной характеристике относительного превышения расхода (X / А2 = ^ (5) в ) , \л/б < О можно получить все три режима: нелинейно-вязкий режим с неболь-п понижением расхода, нелинейно-вязкоупругий (резонансный) режим с возрастающей зависимостью расхода и инерционны]'! режим

с резким снижением .расхода. Локальные характеристики периодического течения и теплообмена зависят от фазы и режима течения: профили скоростей в фазах замедления (и при пульсациях) более заполнены, чем в фазах ускорения (и осцияляцкях) потока. В бе-Еынерционном пульсирующем режиме течения полимерных жидкостей в каналах изменением их числа Е и > а также внешних параглетров воздействия ( сОВ , А , формы возмущения) можно существенно (особенно в резонансном режиме) интенсифицировать процессы переноса.

7. Нестабильное течение полимерных жидкостей в каналах возникает в узком диапазоне напряжений сдвига и проявляется в релаксационных колебаниях вторичных кгхревых структур в его предвходовой области. Предвходоваз область отзывает инициирующее воздействие на возникновение нестабильности л на процессы переноса внутри канала. Развитый нестабильный режим течения характеризуется незатухающей и коррелированной во времени пульсацией продольной скорости, постоянством ее относительных среднеквадратичных значений по сечению канала и резким изменением в пристенной области. Нестабильное течение тлеет частотную структуру. С ростом числа Яв количество спектральных мод колебательного движения возрастает.

Нестабильный режим - автоколебательный процесс релаксационной природы, связан с потерей реодинамической стабильности течения в переходных условиях деформирования. Нестабильность возникает в том случае, когда динамические возмущения в потоке становятся по величине соизмеримыми со скоростью распространения упругих волн в полимерной жидкости.

Основные результаты работы изложены в следущих публшацнях:

1. Кутателадзе С.С., Донов В.И., ХаОахпашеьа S.U. К гидродинамике жидкостей с переменной вязкостью // дурн. нрикл. мех.

и техн. сТпз. - 1966. - 1У1. - С.45-49.

2. Понов В.И., Хабахпашеьа ЕЛ.!. Расчет теплообмена при ламинарном течешш в трубах жидкостей со структурной вязкостью // iiypn. прыкл. мех. и техн. «из. - IS66. - «3. - С.146-148.

3. Костылев Ю.В., Попов В.И. Оптико-механический прибор для исследования скоростей в потоке жидкостей // Передовой на-учно-техшческил и производственный опыт. LI., ГОСШПИ, IS66. -128-66-913/58. - С.7.

4. Костылев Ю.В., Попов В.И., Хабахпашева Е.М. Прошили скоростей при ламинарном течешш структурно-вязких жидкостей мезду параллельными плоскостями // Jiypn. прикл. мех. и тех.

¿из. - :s66. - 1:2. - с. 100-103. \

5. Попов В.Ц., Хабахпашева E.H. Исследование теплообмена при ламинарном течении стру.стурно-вязкнх жидкостей // Инж. йлз.журн. - IS67. - T.I2, 112. - С.278-280.

ß.Kutatcladze S.S., Khabakhpasheva Е.М.,'Popov V.l., Len-berzky V.B. Hydrodynamic3 and heat transfer of non- Newtonian puzcly viscous fluid3 // J.Sei. Mech. Eng: serai-international 3impoaiuni, 4th-3th September, 1967. - Tjkyo. -P.191-198.

7. Хабахпашева E.Ï.1., Попов В.PI., Лемберский В.Б. Течение структурно вязких жидкостей в начальном участке плоского канала // Тепло- и массоперенос: Сб. науч.тр. - Ivüihck, 1968, т.З. -С.253-264.

8. Кутателадзе С.С., Хабахпашева E.H., Лемберский З.Б., Попов В.II. Некоторые вопросы гидродинамики и теплообмена струк-турно-шзких сред // Тепло- и массообмен в неньютоновских жидкостях. Энергия, 1368. - C.69-S0.

9. Попов В.II., Реодинаглпка и теплообмен структурно-вязких жидкостей в лалинарпом режиме // Обзор научной литературы. Серия "Естественные науки". - Новосибирск. - IS70. - Вып.4. -

С. 42.

ТО. Попов В.К. 0 соотноиешги нормальных и касательных напряжений при течении вязкоупругих жидкостей // Механика полиме-

ров. - 1970. - И. - С.126-128.

"I. Попов В.И. К расчету сопротивления и теплоотдачи пластины при ламинарной течения структурно-вязких жидкостей // изв. СО АН СССР. - 1970. - £3. - Сер.техн. наук. - Вып.1. -С.3-6.

12. Кутателадзе С.С., Попов В.И., Хабахпашега E.H. О ламинарном течении вязкоулругих жидкостей // Механика полимеров. 1970. - - C.II23-II26.

13. Кутателадзе С.С., Хаоахпашева E.L1., Попов В.П., Груздева И.М., Перепелица Б.В. Гидравлическое сопротивление и теплоотдача при стабилизированном теченш неньютоновских жидкое-тей // Инж. физ. жур. - 1970. - T.I8, JS. - C.I0Q0-I0G9.

14. Khabakhpasheva E.H., Popov V.l., Perepelitsa B.V. Ileal; transfer in viscoelastic fluide // Ргос. IV Intern. Heat Sranu-fer Conference. - Versailles. - 1970. V. IV, Rh. 2. - P.12.

15. Попов B.II. Теплоотдача в каналах при ламинарном движении неньютоновских жидкостей со скольжением // Пурн. лрш:л. мех. и тех. физ. - 1971. - £5. - C.I4S-I5I.

16. Кутателадзе С.С., Попов В.И., Хабахпашева E.L1. К вопросу об обтекании цилиндра ламинарным потоком вдзкоупрутой жидкости // Докл. АН СССР. - 1971. - Т.197, ЯЗ. - С.545-546.

17. Попов В.И. Движение вязкоупругих жидкостей при повы-иенных напряжениях сдвига // Инж. физ, журн. - 1971. - Т.2С, JS. - С.918-920.

18. Попов В.И., Ройтыан А.Я., Хабахпашева Е.М. Исследование движения вязкоупругих жидкостей в плоских каналах при повышенных напряжениях сдвига // Инж. физ.журн. - 1973. - Т.24, £5. -С.836-841.

19. Попов В.И., Ройтман А.Я., Хабахпашева E.Ü. 0 нестабильном режиме движения вязкоупругого потока // Инж. физ. журн. -1973. - Т.25, J«6; - C.II06-IIII.

20. Попов В.И. Учет влияния неизотерыичности на теплоотдачу в каналах при ламинарном движении жидкостей с линейным законом текучести // Журн. прикл. мех. к тех.физ. - 1975. - J5I. -C.I54-I6I.

21. Попов В.И. Влияние переменной вязкости на ламинарный теплообмен и сопротивление при движении структурно-вязких жидкостей // Тепломассообмен - У: Материалы 5-й Всесоюз. конф.

по тепломассообмену. - Минск, 1976. - Т.7. - С.48-57.

22. Гроссман А.Г., Попов В.И. К выводу.реологического соотношения для концентрированных растворов полимеров // ¿¡урн. пршел. мех. и тех.¿яз. - 1976. - !'2. - C.I26-I32.

23. А.с. Способ исследования и диагностики потоков жидкости / Пвакпна Э.Л., Попов В.И. (СССР). - .'."£26417; заявлено I3.C5.IS76; Опубл. IS78. Бил. Увб.

24. Хабахнашева З.М., Гурбанов P.O., Попов В.И., Бахтия-роз С.II. Реологические свойства вязкоупругого разделителя, применяемого при цементировании нефтяных и газовых скважин // Изв. выси. учеб. зав. Нефть и газ. - 1977.' - JÜ9. - С.30-32.

25. Кекалов А.П., Попов В.И. Влияние реологических факторов па закономерности движения и теплообмена вязкоупрутах пото-т:ов при малых члелах Деборы // Пнж. физ.журн. - 1978. - Т.35, ..'-4. - С. 681-687.

26. Бахтияров С.П., Попов В.И., лабахпашева E.L1. Вытеснение жидкости из каверны вязкоупругпм разделителем // Изв. Высш. учеб. зав. Нефть и газ. - 1378. - - С. 17-20.

27. Лабахпашева E.I.I., Попов В.И., Груздева И.М., Иваки- ■ па ЭЛ., Карстен B.I.Í., Бахтияров С.П. Некоторые результаты исследования реологических потоков оптическими методами // Геодинамика и тепломассообмен: Сб. науч.тр. - Новосибирск, 1979. -С.63-99.

28. Попов В.И., Кекалов A.II. Реологические потоки в условиях мгновенного приложения постоянной и осциллирутадей скорости сдвига // Реодшалкка и тепломассообмен: Сб. науч.тр. - Новосибирск, 1979. - С.47-62.

29. Алтухов Ю.А., Кекалов А.Н., Покровский З.Н., Попов Б.И.. лабахпашева S.LI. Об описании пульсирующего течения растворов полимеров, проявляющих иелиыейно-вязкоупругие свойства // Структура гидродинамических потоков: Сб. науч. тр. - Новосибирск, 1986. - С.5-14.

30. Кекалов А.Н., Полов В.К., Хабахпашева Е.М. Скспершлен-тальное исследование пульсирующего течения раствора полимера в круглой трубе // Нурн. прикл. мех. н техн. физ. - 1987. - И. -С. 80-83.

31. Попов 13.П. 0 связи параметров течения концентрированных растворов шсокополимеров с их среднестатистической ориек-

тационной структурой // Жури, прикл. мех..и техн. йпз. - IS86. -05. - С.103-107.

32. Кекалов А.Н., Попов В.И. Структурно-феноменологическая ...одедь и некоторые результаты исследовашш характеристзпс течения концентрированных растворов шсоконолимеров // Изв. АН

# СССР. - 1984. - И. - Мех. жидк. и газа. - C.I05-II0.

33. Попов В.И., Кекалов А.Н., Алтухов В.А. Пульсирущес течение полимерных жидкостей в круглой трубе при синусоидальном изменении градиента давления // Процессы переноса в вынужденных и свободноконвективных течении:: Сб. науч. тр. - Новосибирск, 1987. - С.II8-129.

34. Кекалов А.Н., Михайлова Е.С., Попов З.И., ¿абахлаие-ва Е .1.1. Осциллирующее течение нейлкнейно-вязкоупругнх полимерных жидкостей е круглой трубе // Лроцессн переноса в вынужденных и свободноконвективных течениях: Сб. науч. тр. - Новосибирск. -1987. - C.I30-I4I.

35. Кекалов А.Н., Намедов У.А., Попов В.И., Федотов В.И. Экспериментальное исследование реологических свойств концентрированных растворов полиакриламида в стационарном и динамическом режимах деформирования // Известия СО АН СССР. - IS85. - .'Д. -Сер. техн. наук. - Вып.1. - С.105-109.

36. Хабахпашева Е.М., Попоб В.И., Кекалов А.Н. Расходные характеристики при пульсирующем течении нелинейно-вязкоупругих растворов полимеров в трубах // йнж. фаз. журн. - I98S. -

Т.54, кб. - С.885-883.

37. Разработка инженерной методики расчета нелинейно-вяз-1ИХ режимов течения и теплообмена канальной экструзии катализа-торных масс: Отчет о НИР / АН СССР. Сиб. отделение. Институт теплофизики; руководитель В.И.Попов. - MP 0I860I03355, Инв. £02870048911. - Новосибирск, 1986. - 47 с.

ГлсЛ Стаи*

расчет (гл.У).

Л Стацтскарт:!! г, сс:з:л.гасунц;:й резси - Гг =1 ■ Зо"1 ¡Кс"1 , 130с"1.Зо"1;

1ерехогаоЗ рекпм т 1,4,6- ; 2,3,5- Г ; ---расчет (гл.У).

регап.1 течек::.-:. Сг.слонекггалъки!! гахг.н тект^естл лас-:ер:п;;:

кглгцетата в воде; 3,'.-гысохо:".ара^:пг.:сгг!: ке'тг?, ' =30°С г. 2б°С; 5-с:'нтет:гческ::." латекс.

СО

20 <0 £ о 60 ;оо :го ко ¡Шел'*

Г::с.4 :а*:оч тс г;,'1-; ест;:.

Р::с.5 Еланке нелгнеЯко-мзкогз {актера на про^лз снсрэ-

сте?. 1-6£?ег =-0,9,-0.5,0,0.5, р,:со. й

Ю'

а-1 «-г о-л с-а

?::с.6 -лпягле^ 1а теплоотдачу па.т^.'ер:-2;х р£ствэр-!в: 1-гл:2:ер:п:а,

--расчет (гл.III).

яро&гдя CHOpoCTSÍ!.

йгз.17 Сгат-zu л расчетще пульсаьугзвго (1-3)я

оссгдаэутзего (4) течения. 1,4- расча? (гл.У); 2-рас-чат по кгаз::;а2К0Бас::0П тоортз(гл.Ш)•,3-е.втонэвс?"'«

TZ'^COTh.

г-А-о.Рб^з з-А-07б;гг=й52 1гА'0,76;2е«125 ЕббО^е-ааз

1 2_

- Г? \

и 1 ^с5 4

о о/, 0,8 12 16 Ре-«з

?::з.Г;0 -д- л яудьсагсг! ?е-лсз?.2ачу

"рл тзч2.::г;г в кругло/! труОе.

13

г:

а 0

Ч

п

<1 <1

10

■чз

и,

о.^ 0,8 12 16 £е0

т;— чашо:пюпь таз::^! :;гзду :-:естас;онар::с" стацгюна!;::о2 теглозтдачеЗ от ч:о.-азОб: I К1®.

Ре-д- =0,С;.5^-0,1С&;3-0,»53;

о? ,1,0 '

■Л\\ 90° ' 0,81

/Ту / N ХХ_50' 0,6!

т / \\ <50° ' I

и/ / Ш / ХЛ/м

# > Л I 02 ! 0

V,

Л

//■".«'Ж'-

рло.22 :азовы9 смецек".1Я мехлу зульоацаяьи ооевоа скэрост'Г и граякнта давленая: а)-г)- / =0.15, 0.22,0.35,0.5; » -скорость; о -градаеят давления для раствора ПАА; ^ тсха для раствора глицерина.

0 02 0,4 £}о г//? /,0

Рзс.23 Заетсимость огатшд йрс£ллеЗ I скорости от ?азы теченяя.

С^ 0,8 1 5* К

Ргс.24 МгноЕэгш»е векторные поля скоростей.

CD

О

гос ш бое 800 M

Кгс.25 Количество БУР я иодоглздерпна для полного вятвснех!я .пдхост:: ::з казврпц.

:

L -г* —

i id'

yssO-

1 1

1 /V

Т7/П

/У1 ¡

s? яз ~ог гс-j

Ю ¡20 'SO 200 2*0

ж

/А

-ь-^Л

1.2? Зл::я?.пе геометрического йактора üa вознлк-е;'лэ ^ разв::т::е неотайтаьяоота.

-7?—-—•••■———г,. Рлс.25 Пульсашм ссе*эЗ скорост:: нестабильного ргтгтуа течеггзя. I-Eoior-insa:::-!, 'С =54Па;г—1- Z =53,е5,7бДТа/.

!I Ï

i. ¡

cîjfij'iî a-i ого c¿5 ^ 1

M

G)

Frc.28 "ртетеночкге а:ю:лажта к:г;е:.'аг:1чгсх::х характеристик нестабильного режима течег^тл : а)-прс«?титъ скоростей; сО-средаекзадратхпше зульсацта скоросттг.

'Е

'tí¡ г; i J

Kso.25 Сдао; гадовая спектральная мс5-кссть пульсацта скорости ~л автокорреляционная йтикстя вначале еоз.тгк-soeshz.t кестайтльностл.

, Ри.ЗО :.:од| спектрально:'! ;.;спц!ос—г лу.тьсацхг сксрссгп развитого нес-'сабххьяогз режпа течетпгя.