H. Schoosleitner, D. Trauner:
"Modellierung und Untersuchung der Strömung durch die Rückstromsperre eines Schraubenverdichters";
Supervisor: B. Scheichl; Institute of Fluid Mechanics and Heat Transfer, 2017; final examination: 2017-10-24.
This thesis investigates the flow of a glass fibres carrying polymer melt through a back ow barrier of a screw extruder, which is vigorously coupled with the temperature field. The polymer melt behaves non-Newtonian, the interplay between the equations of motion and the thermal heat equations therefore originates from the viscosity's strong dependence on the rate of shear and temperature. In addition, the relative rotational velocity of the locking ring and the screw causes another interdependency, since shear forces of the flow and friction forces between ring and wings of the screw severely affect the ring's number of revolutions. This mixed friction is modelled as a combination of hydrodynamic and dry friction. The mean length and diameter of the glass fibres are used to characterize the friction coeffcient's dependency on the gap width between the ring's face and the wings.
By means of dimensional analysis and appropriate assumptions, the fundamental equations are developed until finally a specially designed iterative algorithm offers a numerical solution of the coupled system. The system of equations describes the behaviour of heat transfer and fluid motion until a steady state is reached and the locking ring features constant angular velocity. Time-dependent solutions are presented.
The disparate time scales, which are characterized by the central equations of the problem, play an essential role in describing the transient phase. They provide information on the chronological sequence of heat transfer and relaxant fluid motion by virtue of altered thermal conditions. This strategy can be extended towards a complete multiple scaling.
In dieser Arbeit werden die Strömung sowie die damit in enger Kopplung stehende Temperaturverteilung einer von mit Glasfasern angereicherten Polymerschmelze durchströmten Ring-Rückstromsperre eines Schraubenextruders untersucht. Die Wechselwirkung zwischen Bewegungs- und thermischer Energiegleichung ist durch die starke Scherraten- und Temperaturabhängigkeit der Viskosität der nichtnewtonschen Schmelze bedingt. Zusätzlich kommt durch die zur Schneckenspitze relative Rotationsgeschwindigkeit des Absperrrings eine weitere Wechselwirkung zustande, da sie von Scherspannungen der Schmelze und der Reibung zwischen Ringstirnseite und den Flügeln der Schneckenspitze maßgeblich beeinflusst wird. Diese Reibung wird als Mischreibung als Bindeglied zwischen hydrodynamischer und trockener Reibung modelliert, wofür die mittlere Länge und der Durchmesser der Glasfasern zur Charakterisierung des von der Spaltdicke abhängigen Reibbeiwerts herangezogen werden.
Die zugrundeliegenden Gleichungen werden unter Zuhilfenahme der Dimensionsanalyse und zweckmäßigen Annahmen so weit vereinfacht, bis schlussendlich ein eigens kreierter iterativer Lösungsalgorithmus eine numerische Lösung der gekoppelten diskretisierten Gleichungen liefert. Zeitabhängige Lösungen des Gleichungssystems, welches das Verhalten von Wärmeüber- gang und Strömung bis zum Erreichen eines stationären Zustands beschreibt, in welchem der Sperrring eine konstante Rotationsgeschwindigkeit aufweist, werden präsentiert.
Eine wesentliche Rolle in der Beschreibung der instationären Phase spielen die disparaten Zeitskalen, welche die zentralen Gleichungen des Problems charakterisieren und so Aufschluss über die unterschiedliche chronologische Abfolge von Wärmeübergang und relaxierender Strömung zufolge geänderter thermischer Verhältnisse geben. Diese Vorgehensweise kann zu einem vollständig durchgeführten multiple scaling erweitert werden.
back-flow barrier, extruder screw, glas fibres, lubrication theory, mixed friction, polymer melt, shear-thinning