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Flow simulation of herschel-bulkley fluids through extrusion dies

Authors

  • E. Mitsoulis,

    Corresponding author
    1. Department of Chemical Engineering, University of Ottawa, Ottawa, Ontario KIN 6N5
    • Department of Chemical Engineering, University of Ottawa, Ottawa, Ontario KIN 6N5
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  • S. S. Abdali,

    1. Department of Chemical Engineering, University of Ottawa, Ottawa, Ontario KIN 6N5
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  • N. C. Markatos

    1. Computational Fluid Dynamics Unit, Department of Chemical Engineering, National Technical University of Athens, Zographou, Athens, Greece 15773
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Abstract

The flow of viscoplastic materials through extrusion dies has been studied numerically using the finite element method. Rheological data for viscoplastic doughs have been fitted by the Herschel-Bulkley model, which incorporates a yield stress into the power-law model. Non-isothermal simulations show the extent and shape of yielded/unyielded regions and the development of temperature field assuming different modes of heat transfer at the boundaries. The results reveal that viscous dissipation causes appreciable temperature rises in the extrudate in agreement with measured values at the extruded material surface. The extrudate swell results show a maximum for a certain range of apparent shear rates also observed experimentally. However, the inelastic simulations based on the Herschel-Bulkley model always under-predict the experimental swelling values. A heuristic approach is also used to determine the level of elasticity required to produce the experimental values.

Abstract

On a étudié numériquement l'écoulement de matériaux viscoplastiques dans des filières d'extrusion par une méthode d'éléments finis. Les données rhéologiques des pâtes viscoplastiques ont été calées à l'aide du modèle Herschel-Bulkley, qui introduit une contrainte de cisaillement dans le modèle de loi de puissance. Les simulations non isothermes montrent l'étendue et la forme des régions cisaillées et non cisaillées ainsi que le développement du champ de température en supposant différents modes de transfert de chaleur aux limites. Les résultats révèlent que la dissipation visqueuse entraîne des élévations de températures appréciables dans l'extrudat en accord avec les valeurs mesurées à la surface des matériaux extrudés. Les résultats sur le gonflement de l'extrudat indiquent un maximum pour une certaine gamme de vitesses de cisaillement apparentes également observées expérimentalement. Cependant, les simulations non élastiques s'appuyant sur le modèle Herschel-Bulkley s'avèrent toujours insuffisantes pour prédire les valeurs de gonflement expérimentales. On utilise également une approche heuristique afin de déterminer le degré d'élasticité requis pour produire des valeurs expérimentales.

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