Transferts de chaleur dans un écoulement stationnaire de polymère fondu dans une filière d'extrusion

Abstract

Il est reconnu que dans certaines conditions, le dégagement de chaleur résultant de la dissipation visqueuse au sein d'un écoulement de polymère fondu est la source d'une hétérogénéité de température au sein du fluide. Les écoulements dans les filières d'extrusion ou dans les canaux d'injection de polymères thermoplastiques de viscosité élevée rentrent dans ce cadre (forte dissipation au voisinage des parois métalliques. L'objectif de ce travail est de développer des outils d'analyse thermique à la fois sur le plan expérimental et numérique qui permettent de reconstruire les cartes de températures dans l'ensemble de la veine d'écoulement. Nous avons donc conçu une filière d'extrusion plate, instrumentée sur sa longueur de capteurs de température, placés suffisamment proche de l'écoulement pour qu'ils soient sensibles à la dissipation visqueuse. Une fois les températures acquises, elles restent des mesures indirectes et un traitement spécifique doit être envisagé pour en déduire le profil de température d'entrée de l'écoulement (en conséquence les températures dans tout le domaine. Nous avons donc développé une méthode d'estimation de ce profil d'entrée, construite sur des techniques classiques de résolution de problèmes inverses. Elle consiste à comparer les températures mesurées à celles calculées numériquement avec un outil de simulation et à corriger le profil de température d'entrée du modèle numérique jusqu'à la parfaite concordance des températures aux points de mesure. L'originalité de cette étude vient du fait que les transferts de chaleur considérés dans la résolution du problème inverse, portent simultanément sur les transferts conductifs et convectifs au sein de la filière, et que le modèle retenu intègre les équations de Navier-Stokes. Les premiers résultats expérimentaux mettent en évidence l'importance effective de la dissipation visqueuse sur le caractère isotherme de l'écoulement et ouvrent des voies prometteuses, notamment sur l'amélioration des approches thermiques en rhéométrie.It is recognized that under certain conditions, the release of heat resulting from viscous dissipation within a polymer flow is the source of heterogeneity of temperature within the fluid. The flows in the extrusion dies or the channels of thermoplastic polymer injection of high viscosity return within this framework (high dissipation near the metal walls). The objective of this work is to develop tools for thermal analysis at the same time on the level experimental and numerical, which make it possible to rebuild the charts of temperatures in the whole of the vein of flow. We thus designed an extrusion die, instrumented over its length of thermocouples, placed sufficiently near to the flow so that they are sensitive to viscous dissipation. Once the acquired temperatures, they remains indirect measurements and a specific treatment must be planned to deduce the profile from it from inlet temperature of the flow (and by consequence temperatures in all the field). We thus developed a method to estimate this profile of entry, built on traditional techniques of inverse problems. It consists in comparing the temperatures measured with those calculated numerically with a tool for simulation and correcting the inlet temperature profile of the numerical model until the perfect agreement of the temperatures at the measurement points. The originality of this study comes owing to the fact that the heat transfers considered in the resolution of the inverse problem, relate simultaneously to the conductive and convective transfer within the die and the model selected integrates the Navier-Stokes equations. The first experimental results highlight the effective importance of viscous dissipation on the character anisotherme of the flow and open promising ways, in particular on the improvement of the thermal approaches in rheometry.NANTES-BU Sciences (441092104) / SudocNANTES-Ecole Centrale (441092306) / SudocSudocFranceF