Flow of polyethylene melts within and into rectangular ducts investigated by laser-Doppler velocimetry [Elektronische Ressource] = Strömungsverhalten verschiedener Polyethylenschmelzen im Einlauf und im Inneren von Schlitzdüsen / vorgelegt von Daniela Hertel

De
Flow of polyethylene melts within and into rectangular ducts investigated by laser - Doppler velocimetry Strömungsverhalten verschiedener Polyethylenschmelzen im Einlauf und im Inneren von Schlitzdüsen - Untersuchungen mit der Laser-Doppler Anemometrie Der Technischen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des Grades DOKTOR – INGENIEUR vorgelegt von Daniela Hertel Erlangen – 2008 Als Dissertation genehmigt von der Technischen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg Tag der Einreichung: 26.11.2007 Tag der Promotion: 10.03.2008 Dekan: Prof. Dr. J. Huber (Universität Erlangen-Nürnberg) Berichterstatter: Prof. Dr. H. Münstedt Prof. Dr. J.-F. Agassant (Ecole des Mines de Paris, France) Table of contents I Table of contents 1 Introduction........................................................................................................................ 1 2 German introduction………..............................................................................................3 3 Fundamentals……………….............................................................................................6 3.1 Rheological behaviour of polymer melts ....................................................................... 6 3.1.1 Viscous behaviour..............................................................................................6 3.1.2 Elastic .......................................
Publié le : mardi 1 janvier 2008
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Flow of polyethylene melts within and into rectangular
ducts investigated by laser - Doppler velocimetry

Strömungsverhalten verschiedener Polyethylenschmelzen im
Einlauf und im Inneren von Schlitzdüsen
-
Untersuchungen mit der Laser-Doppler Anemometrie

Der Technischen Fakultät der
Universität Erlangen-Nürnberg

zur Erlangung des Grades
DOKTOR – INGENIEUR

vorgelegt von

Daniela Hertel

Erlangen – 2008









Als Dissertation genehmigt von
der Technischen Fakultät der
Universität Erlangen-Nürnberg





Tag der Einreichung: 26.11.2007
Tag der Promotion: 10.03.2008
Dekan: Prof. Dr. J. Huber (Universität Erlangen-Nürnberg)
Berichterstatter: Prof. Dr. H. Münstedt
Prof. Dr. J.-F. Agassant (Ecole des Mines de Paris, France)
Table of contents I

Table of contents

1 Introduction........................................................................................................................ 1
2 German introduction………..............................................................................................3
3 Fundamentals……………….............................................................................................6
3.1 Rheological behaviour of polymer melts ....................................................................... 6
3.1.1 Viscous behaviour..............................................................................................6
3.1.2 Elastic ................................................................................................9
3.2 Fluid mechanics............................................................................................................ 10
3.2.1 Conservation equations....................................................................................10
3.2.2 Constitutive equations......................................................................................11
3.2.3 Flow profiles in a duct 12
3.2.4 Flow through a contraction .............................................................................. 15
3.3 Flow phenomena of polymer melts 16
3.3.1 Secondary flow.................................................................................................17
3.3.2 Main flow along the channel symmetry axis ................................................... 21
3.3.3 Three-dimensionality of the entrance flow ...................................................... 23
3.3.4 Open questions and aims with regard to the flow of polymer melts within
rectangular ducts .............................................................................................................. 25
4 Characterisation of the materials used ............................................................................. 27
4.1 Materials....................................................................................................................... 27
4.1.1 Linear low density polyethylene (LLDPE) ...................................................... 27
4.1.2 Low density polyethylene (LDPE)................................................................... 28
4.2 Molecular structure......................................................................................................28
4.3 Shear properties............................................................................................................ 29
4.3.1 Thermal stability..............................................................................................29
4.3.2 Rotational rheometry........................................................................................30
4.4 Elongational properties................................................................................................32
4.4.1 Transient elongational viscosity....................................................................... 32
4.4.2 Stationary elongational viscosity ..................................................................... 33
4.5 Elastic properties.......................................................................................................... 34
5 Experimental setup and measuring method 37
II Table of contents

5.1 Experimental setup.......................................................................................................37
5.1.1 Extrusion system..............................................................................................37
5.1.2 Flow cell and coordinate system ...................................................................... 38
5.1.3 Laser-Doppler velocimetry (LDV)................................................................... 40
5.2 Experimental procedure...............................................................................................41
5.2.1 Preliminary tests41
5.2.2 Accuracy and reproducibility of the LDV-measurements ............................... 42
5.2.3 Velocity fields in the entrance region .............................................................. 44
5.2.4 Velocity distribution along the channel axis .................................................... 49
6 Three-dimensional flow fields of the two polyethylenes ................................................. 54
6.1 Velocity profiles........................................................................................................... 54
6.1.1 Velocity profiles in the x-y-plane..................................................................... 54
6.1.2 Velocity profiles in the x-z-plane 59
6.1.3 Velocity profiles in the y-z-plane 61
6.2 Discussion.................................................................................................................... 63
6.3 Conclusions.................................................................................................................. 73
7 Entrance flow of the LDPE in the symmetry plane z = 0 in a 180°-die entry.................. 76
7.1 Secondary flow region – the vortex size ...................................................................... 76
7.1.1 Influence of outer parameters on the vortex size ............................................. 79
7.1.2 Discussion........................................................................................................84
7.2 Main flow along the channel symmetry axis ............................................................... 91
7.3 Secondary flow region – the rotational velocity ........................................................ 105
7.3.1 Influence of outer parameters on the rotational velocity................................ 106
7.3.2 Discussion......................................................................................................108
7.4 Conclusions................................................................................................................ 123
8 Velocity Overshoot of the LDPE….. …….. .................................................................. 126
8.1 Influence of outer parameters on the velocity overshoot ........................................... 126
8.2 Conclusions 131
9 Influence of the die entrance angle on the entrance flow behaviour of the LDPE ........ 132
9.1 Secondary flow region – the vortex size .................................................................... 132
9.2 Main flow along the channel symmetry axis ............................................................. 136
9.3 Secondary flow region – the rotational velocity ........................................................ 139
9.4 Conclusions................................................................................................................ 140
10 Summary and outlook .................................................................................................... 142
Table of contents III
11 German abstract.............................................................................................................. 146
Appendix ................................................................................................................................ 150
A Abbreviations and acronyms...................................................................................... 150
B Adjustment of the measuring volume within the flow channel ................................. 154
C Calculation of the ratio between the mean and the maximum velocity ..................... 157
D Influence of the die entrance angle on the entrance flow behaviour of the LLDPE .. 158
E Relationship between the vortex size and the detachment length.............................. 159
F Measured data............................................................................................................161
References .............................................................................................................................. 185
Acknowledgements ................................................................................................................ 193

Inhaltsverzeichnis V


Inhaltsverzeichnis


1 Einleitung (englisch).......................................................................................................... 1
2 Einleitung (deutsch)........................................................................................................... 3
3 Grundlagen......................................................................................................................... 6
3.1 Rheologisches Verhalten von Polymerschmelzen.......................................................... 6
3.1.1 Viskoses Verhalten.............................................................................................6
3.1.2 Elastisches .........................................................................................9
3.2 Strömungsmechanische Grundlagen............................................................................10
3.2.1 Erhaltungssätze.................................................................................................10
3.2.2 Rheologische Zustandsgleichungen.................................................................11
3.2.3 Fließprofile in einer Schlitzdüse ...................................................................... 12
3.2.4 Strömung durch eine Kontraktion.................................................................... 15
3.3 Strömungsuntersuchungen an Polymerschmelzen ....................................................... 16
3.3.1 Sekundärströmung............................................................................................17
3.3.2 Hauptströmung entlang der Kanalachse........................................................... 21
3.3.3 Dreidimensionalität der Einlaufströmung........................................................23
3.3.4 Offene Fragen und Ziele im Hinblick auf das Fließverhalten von Polymer-
schmelzen in Schlitzdüsen................................................................................ 25
4 Materialcharakterisierung.................................................................................................27
4.1 Untersuchte Materialien...............................................................................................27
4.1.1 Lineares Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE)............................................. 27
4.1.2 Polyethylen niedriger Dichte (LDPE).............................................................. 28
4.2 Molekularer Aufbau.....................................................................................................28
4.3 Scherrheologische Untersuchungen.............................................................................29
4.3.1 Thermische Stabilität........................................................................................29
4.3.2 Rotationsrheometrie.........................................................................................30
4.4 Dehnrheologische Untersuchungen..............................................................................32
4.4.1 Transiente Dehnviskosität................................................................................32
4.4.2 Stationäre Dehnviskosität.................................................................................33
4.5 Elastische Eigenschaften..............................................................................................34
5 Versuchsaufbau und Messmethode.................................................................................. 37 VI Inhaltsverzeichnis


5.1 Aufbau der Messapparatur ........................................................................................... 37
5.1.1 Extrusionssystem..............................................................................................37
5.1.2 Fließkanal und Koordinatensystem.................................................................. 38
5.1.3 Laser-Doppler Anemometrie (LDA)................................................................ 40
5.2 Versuchsdurchführung.................................................................................................41
5.2.1 Vorversuche.....................................................................................................41
5.2.2 Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der LDA-Messungen............................. 42
5.2.3 Geschwindigkeitsfelder im Düseneinlauf........................................................44
5.2.4 Geschwindigkeitsverlauf entlang der Kanalachse............................................ 49
6 Dreidimensionale Geschwindigkeitsfelder der beiden Polyethylene............................... 54
6.1 Geschwindigkeitsprofile...............................................................................................54
6.1.1 Geschwindigkeitsprofile in der x-y-Ebene....................................................... 54
6.1.2 Geschwindigkeitsprofile in der x-z-Ebene 59
6.1.3 Geschwindigkeitsprofile in der y-z-Ebene 61
6.2 Diskussion .................................................................................................................... 63
6.3 Zusammenfassung........................................................................................................73
7 Düseneinlaufströmung des LDPE in der Symmetrieebene z = 0 (180°-Einlauf)............. 76
7.1 Sekundärströmungen - die Wirbelgröße....................................................................... 76
7.1.1 Einfluss äußerer Parameter auf die Wirbelgröße ............................................. 79
7.1.2 Diskussion84
7.2 Hauptströmung entlang der Kanalachse 91
7.3 Sekundärströmungen - die Rotationsgeschwindigkeit ............................................... 105
7.3.1 Einfluss äußerer Parameter auf die Rotationsgeschwindigkeit ...................... 106
7.3.2 Diskussion......................................................................................................108
7.4 Zusammenfassung123
8 Geschwindigkeitsüberhöhung beim LDPE (Velocity overshoot).................................. 126
8.1 Einfluss äußerer Parameter auf die Geschwindigkeitsüberhöhung............................ 126
8.2 Zusammenfassung131
9 Einfluss des Düseneinlaufwinkels auf das Einströmverhalten des LDPE ..................... 132
9.1 Sekundärströmungen - die Wirbelgröße..................................................................... 132
9.2 Hauptströmung entlang der Kanalachse 136
9.3 Sekundärströmungen - die Rotationsgeschwindigkeit ............................................... 139
9.4 Zusammenfassung......................................................................................................140
10 Zusammenfassung und Ausblick (englisch) .................................................................. 142

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