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https://hdl.handle.net/1822/65229
Título: | Modelling the polymeric profile extrusion cooling stage with OpenFOAM® |
Autor(es): | Ferreira, João Manuel Duarte |
Orientador(es): | Nóbrega, J. M. |
Data: | 2015 |
Resumo(s): | Nowadays the importance of the Computational Fluid Dynamics in polymer processing
applications is really high, since it can provide useful data that can be used to anticipate the behaviour of
the system under study, when subjected different service conditions, and thus guide its design and/or
optimization. There are different options available when choosing the platform to perform such studies,
which can be mainly divided into commercial and the free/open source numerical codes. Besides the
obvious differences in terms of cost, the first do not allow changes on the source code while the latter
allows it. OpenFOAM® computational library is an example of a free and open source code that comprises
several pre-programmed solvers, allows full customization by the user and provides a solid and
consolidated base for the development of customized numerical tools.
The problem of interest integrated in the field of polymer processing, comprises the modelling of
cooling and calibration of an extruded polymer profile with unstructured meshes. Numerical tools had to
be created to fulfil the requirements and for that OpenFOAM® was used and modified.
To meet the modelling requirements the cthMultiRegionFoam solver, that solves momentum,
energy and continuity equations, was modified to solve only the energy conservation equation since, at
the profile extrusion calibration stage, the velocity field is known and constant on the entire domain.
Different verifications were performed on the developed code, by comparing its predictions with, analytical
solutions, for simple problems and with results available on the scientific literature, in order to evaluate
its accuracy. Convergence order studies were performed using different meshes to evaluate the order of
convergence and the calculation accuracy and to choose the best mesh refinement level to use on the
subsequent studies. In order to evaluate the code capabilities, studies involving cooling and calibration of
an extruded polymer profile using different layouts, process and geometrical parameters were also
undertaken.
The developed code was tested under different verification problems and, the results obtained,
allowed to assess it, for the cooling stage. Regarding conclusions, the studies made possible the
evaluation of which process and geometrical parameters influence the most. This revealed that using
several calibrators have advantages when compared to only use one, also that the profile velocity has the
higher impact on the final results. Hoje em dia, é grande a importância da Dinâmica de Fluídos Computacional nas aplicações de processamento de polímeros, a informação produzida por estes estudos possibilita a antecipação do comportamento que o sistema em estudo terá, quando sujeito a diferentes condições de serviço, e ajudar no desenho e otimização do mesmo. Existem diferentes opções disponíveis para a execução deste tipo de estudos, que podem ser divididas em códigos comercial e gratuito/aberto. À parte da diferença óbvia em termos de custo, o primeiro não possibilita a alteração do código fonte, enquanto o segundo o possibilita. OpenFOAM® é um exemplo de código aberto e gratuito, que contém diversos solvers préprogramados, possibilita a sua total modificação por parte do utilizador e apresenta-se como um base sólida e consolidada para o desenvolvimento de ferramentas numéricas personalizadas. O problema de interesse integrado na área de processamento de polímeros, compreende a modelação da etapa de arrefecimento e calibração do processo de extrusão de perfil, utilizando malhas não estruturadas. Ferramentas numéricas tiveram de ser desenvolvidas para cumprir os requisitos de modelação e, para isso, o OpenFOAM® foi utilizado e modificado. Para cumprir os requisitos de modelação o solver chtMultiRegionFoam, que resolve as equações de momento, conservação de energia e continuidade, foi modificado para apenas resolver a equação de conservação de energia, dado que na etapa de calibração da extrusão de perfil, o campo de velocidades é conhecido e constante em todo o domínio. Diferentes verificações foram realizadas com o código desenvolvido, comparando as suas previsões com soluções analíticas, para problemas simples e com resultados disponíveis na literatura científica, para avaliar a sua precisão. Estudos de ordem de convergência foram realizados com diferentes malhas para avaliar a convergência e a precisão de cálculo, de forma a também escolher o melhor refinamento de malha para os estudos a realizar. Para avaliar as capacidades do código, estudos envolvendo a etapa de arrefecimento e calibração da extrusão de perfil com diferentes layouts, parâmetros geométricos e de processo foram realizados. O código desenvolvido foi testado sobre diferentes problemas de verificação e, com os resultados obtidos, possibilitou a sua aferição para a etapa de arrefecimento. Relativamente a conclusões, os estudos possibilitaram a avaliação de quais os parâmetros geométricos e de processo têm mais influencia. Isto relevou que a utilização de diversos calibradores tem vantagens à utilização de apenas um e também que a velocidade do perfil é o parâmetro com mais impacto nos resultados finais. |
Tipo: | Dissertação de mestrado |
Descrição: | Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de Polímeros |
URI: | https://hdl.handle.net/1822/65229 |
Acesso: | Acesso aberto |
Aparece nas coleções: | BUM - Dissertações de Mestrado DEP - Dissertações de Mestrado |
Ficheiros deste registo:
Ficheiro | Descrição | Tamanho | Formato | |
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Dissertação+63352+João+Ferreira.pdf | 2,79 MB | Adobe PDF | Ver/Abrir |