Author(s):
Gonçalves, Nelson Daniel Ferreira 
Date: 2014
Persistent ID: http://hdl.handle.net/1822/29094
Origin: RepositóriUM - Universidade do Minho
Subject(s): Profile extrusion; Extrusion dies; Calibrator; Flow balance; Cooling; Computer aided design; Complex geometry profiles; Finite Volume Method; Unstructured meshes; Code parallelisation; Graphics processing units; Extrusão de perfis; Cabeças de extrusão; Calibrador; Equilíbrio de escoamento; Arrefecimento; Projeto assistido por computador; Perfis com geometrias complexas; Método dos volumes finitos; Malhas não-estruturadas; Paralelização de código; Unidades de processamento gráfico
Description
Tese de doutoramento em Science and Polymer Engineering and Composites In the profile extrusion, the experience of the die designer is crucial for obtaining
good results. In industry, it is quite usual the need of several experimental trials
for a specific extrusion die before a balanced flow distribution is obtained. This
experimental based trial-and-error procedure is time and money consuming, but, it
works, and most of the profile extrusion companies rely on such method. However,
the competition is forcing the industry to look for more effective procedures and the
design of profile extrusion dies is not an exception.
For this purpose, computer aided design seems to be a good route. Nowadays, the
available computational rheology numerical codes allow the simulation of complex
fluid flows. This permits the die designer to evaluate and to optimize the flow channel,
without the need to have a physical die and to perform real extrusion trials.
In this work, a finite volume based numerical code was developed, for the simulation
of non-Newtonian (inelastic) fluid and non-isothermal flows using unstructured
meshes. The developed code is able to model the forming and cooling stages of
profile extrusion, and can be used to aid the design of forming tools used in the
production of complex profiles. For the code verification three benchmark problems
were tested: flow between parallel plates, flow around a cylinder, and the lid driven
cavity flow. The code was employed to design two extrusion dies to produce complex
cross section profiles: a medical catheter die and a wood plastic composite profile for
decking applications. The last was experimentally validated. Simple extrusion dies used to produced L and T shaped profiles were studied in detail, allowing a better
understanding of the effect of the main geometry parameters on the flow distribution.
To model the cooling stage a new implicit formulation was devised, which allowed
the achievement of better convergence rates and thus the reduction of the computation
times. Having in mind the solution of large dimension problems, the code was parallelized
using graphics processing units (GPUs). Speedups of ten times could be obtained,
drastically decreasing the time required to obtain results. No processo de extrusão de perfis, a experiência do projetista é crucial para a
obtenção de bons resultados. Na indústria, é bastante usual serem necessárias várias
modificações na geometria do canal de fluxo da cabeça de extrusão para a obtenção
de distribuição de fluxo equilibrada. Geralmente, o procedimento é baseado num
processo de tentativa-e-erro, que consome muito tempo e dinheiro, mas funciona,
e muitas das empresas de extrusão utilizam esta metodologia. A concorrência tem
forçando a indústria a procurar procedimentos mais eficientes, e o projeto de cabeças
de extrusão não é exceção. Para este efeito, o projeto assistido por computador
parece ser uma boa via. Atualmente, os códigos numéricos de reologia computacional
permitem simular escoamentos de fluidos complexos. Este facto permite ao projetista
avaliar e otimizar o canal de fluxo, sem a necessidade de ter, fisicamente, uma cabeça
de extrusão e fazer testes experimentais.
Neste trabalho foi desenvolvido um código numérico baseado no método dos
volumes finitos, para a simulação de escoamentos de fluídos não-Newtonianos (inelásticos)
e não isotérmicos, usando malhas não estruturadas. O código desenvolvido
é capaz de modelar as etapas de extrusão e arrefecimento do perfil extrudido, e pode
ser usado para auxiliar o projeto de ferramentas de extrusão empregues na produção
de perfis complexos. Para verificar o código foram testados três problemas de referência:
fluxo entre placas paralelas, fluxo à volta de cilindro e escoamento em cavidade
bidimensional. O código foi usado no projeto de duas cabeças de extrusão para a
produção de perfis de secção transversal com geometria complexa: um cateter para
aplicações médicas e um perfil em madeira compósita para aplicações em pisos de áreas externas. A última foi validada experimentalmente. O desempenho de cabeças
de extrusão para a produção de perfis simples, em forma de L e T, foi estudado em
detalhe, permitindo compreender o efeito dos principais parâmetros geométricos na
distribuição do fluxo. Para modelar o arrefecimento foi desenvolvida uma nova implementação implícita,
que permitiu obter melhores taxas de convergência e consequentes reduções de
tempos de cálculo.
Tendo em mente a resolução de problemas de grandes dimensões, o código foi
paralelizado em placas gráficas (GPUs). Com esta melhoria obtiveram-se acelerações
de cálculo em cerca de dez vezes, diminuindo drasticamente os tempos necessários
para efetuar as simulações.
