Неустойчивое течение (эластическая и инерционная турбулентность)

При возрастании скорости истечения расплава полимера из канала течение продолжается, но перестает быть устойчивым – возникают крупномасштабные возмущения (так называемая, рейнольдсовская или инерционная неустойчивость).

Вязкое трение в жидкости, начиная с некоторых скоростей течения становится недостаточным для того, чтобы гасить случайные слабые флуктуации в потоке, разрастающиеся до сильных возмущений. Т.е. инерционные силы становятся настолько большими, что превосходят силы вязкого трения. При низких скоростях течения вязкое сопротивление подавляет флуктуации, и линии тока остаются в целом параллельными, так что течение происходит путем скольжения параллельных слоев жидкости (карты в колоде) – это ламинарное течение.

При более высоких скоростях течения флуктуации возрастают , линии тока становятся нерегулярными (частички в потоке хаотично перемещаются) наступает турбулентное течение.

Соотношение между инерционными и вязкими силами в потоке определяются безразмерным критерием Рейнольдса:

R e = ;, (165)

V – скорость;

D – диаметр трубы;

ρ – плотность жидкости;

η – вязкость.

Переход от ламинарного режима к турбулентному наступает при Re ≈ 2300.

Примеры последовательности развития дефектов струи при возрастании скорости сдвига для полимеров:

1. Мелкомасштабные дефекты – матовость (поверхностная шероховатость, акулья кожа) ≈ τ = 0,1 МПа.

Рисунок 61 - Дефект «акулья кожа»

Мелкомасштабные дефекты на пленке приводят к снижению блеска, а на поверхности появляется матовость.

2. Периодическая дефектность типа мелкой нарезки.

Рисунок 62 - Различные формы разрыва экструзионного потока

3. Дальнейшее возрастание скорости сдвига приводит к крупномасштабным нерегулярным искажениям струи. Это может быть связано со срывом потока (пристенное скольжение, полимер ведет себя подобно резине со стабильной сеткой химических связей). Пристенные слои полимера, находящиеся под действием высоких напряжений, теряют текучесть, разрушается контакт между полимером и стенкой канала, материал начинает скользить по стенке.

Рисунок 63 — Возникновение дефекта у выхода из канала

В выходном сечении наблюдаются мелкие колебания с частотой, совпадающей с частотой поверхностных дефектов на струе.

Мелкомасштабные дефекты иногда связывают с циклическим проскальзыванием материала вблизи выходного сечения. При истечении расплава из насадки центральная часть потока продолжает двигаться и «вытягивает» за собой внешние части струи. Когда сила, вытягивающая струю, становится достаточно большой, она отрывает материал от канала, разрывая адгезионный контакт между расплавом и стенкой, и расплав выходит из канала. Это происходит периодически, что приводит к пульсациям, следовательно, периодическим дефектам поверхности.

Правильная периодичность поверхностных дефектов может выглядеть эффектно, образуются: «наплывы», «кольца», «спирали», «поверхностные трещины» (причиной их является выходное сечении канала).

По мере повышения скорости течения колебания от выходной зоны из капилляра распространяются вглубь канала, что приводит к внутренней (поверхностной) неустойчивости, которая проявляется в виде срыва потока, разрушении струи, хлопках.

Основной механизм образования мелкомасштабных дефектов – разрыв поверхности под действием растягивающих напряжений, возникающих на кромке выходного сечения канала (небольшие области растяжения возникают на поверхности струи по размеру совпадают с размерами дефектов акульей шкуры).

Эластичность полимера снижают либо повышением температуры переработки, либо понижением ММ, либо введением неэластичного наполнителя.