Семейство продуктов COMSOL®

Моделируйте течения неньютоновских жидкостей с помощью модуля Гидродинамика полимеров

Среда моделирования для однофазных и многофазных потоков неньютоновских жидкостей

Модуль Гидродинамика полимеров является расширением для COMSOL Multiphysics. Модуль предназначен для постановки и решения задач, связанных с расчетом течений неньютоновских жидкостей, обладающих вязкоупругими свойствами, тиксотропией, реопексией, а также дилатантных и псевдопластических жидкостей. В расчете можно учесть зависимость свойств жидкости от температуры и состава для моделирования вулканизации и полимеризации. При совместном использовании с другими модулями COMSOL Multiphysics можно решать сильно связанные нестационарные задачи о взаимодействии потока с твердым деформируемым телом (FSI).

Область применения модуля Гидродинамика полимеров

Неньютоновские жидкости используются во множестве разнообразных технологических процессов в полимерной, пищевой, фармацевтической, косметической, строительной и химической отраслях промышленности. В качестве примеров таких жидкостей можно назвать покрытия, краски, йогурт, кетчуп, коллоидные суспензии, водные суспензии лекарственных препаратов, лосьоны, кремы, шампуни, пептидные и белковые суспензии, и это только малая часть примеров. Для анализа и оптимизации процессов, связанных с подобными средами, и в конечном итоге, для производства высококачественных потребительских продуктов, можно использовать инструменты численного моделирования.

Расплавленные полимеры, краски и белковые суспензии

Вязкоупругие модели учитывают наличие свойства упругости у подобных жидкостей. При деформации жидкости возникает сила, которая стремится вернуть форму среды к исходному состоянию. Важными задачами моделирования являются расчет нестационарной деформации жидкости и гидравлического сопротивления системы при течении жидкости. Типовыми примерами таких жидкостей являются расплавленные полимеры, краски и белковые суспензии.

Визуализация утончения вязкоупругой нити под действием силы поверхностного натяжения с формированием почти сферических капель, соединенных утончающимися нитями. Верификационная модель утончения вязкоупругой нити под действием силы поверхностного натяжения. Нить формирует бусовидную структуру с почти сферическими каплями, соединенными экспоненциально утончающимися нитями. На рисунке показано распределение скорости в процессе формирования жидких бусин.

Коллоидные суспензии, кетчуп, лосьоны

В коллоидных суспензиях наблюдается дилатантный эффект, то есть их вязкость возрастает при увеличении скорости деформации сдвига. Другие суспензии, например сиропы и кетчупы, могут обладать свойством псевдопластичности, когда вязкость снижается при увеличении скорости деформации сдвига. Вязкость тиксотропных жидкостей уменьшается с течением времени при постоянном напряжении сдвига. Модели, которые описывают свойства таких сильно неньютоновских жидкостей, являются неупругими. Задача моделирования в данном случае аналогична расчету вязкоупругих жидкостей: как правило, требуется определить форму свободной границы жидкость-воздух, локальные поверхностные силы, действующие на жидкость, и гидравлическое сопротивление системы при течении таких жидкостей. Часто, важным фактором, который необходимо учитывать при проектировании технологических процессов, например, производства резины, является зависимость свойств жидкости от температуры и состава.

Показаны три момента времени в процессе заполнения модели литьевой формы (показана серым цветом) 
 расплавом резины (голубой цвет). Заполнение литьевой формы расплавленной резиной. Для описания поведения расплава резины используется степенной закон, а движение вытесняемого из формы воздуха рассчитывается на основе закона вязкого трения Ньютона. Для расчета межфазной границы используется метод фазового поля.

Функциональные возможности модуля Гидродинамика полимеров

Модели вязкоупругих жидкостей

В состав модуля Гидродинамика полимеров включено несколько моделей вязкоупругих жидкостей. В основе этих моделей лежат разные уравнения, описывающие деформацию и силы, вызванные деформацией жидкости. В модели Олдройда используется линейное соотношение, которое можно описать как комбинацию гуковской пружины и ньютоновского раствора, тогда как другие модели используют нелинейные уравнения для расчета эффектов упругости и псевдопластичности.

  • Олдройда
  • Гизекуса
  • FENE-P
  • LPTT
Черным и красным цветами показана артерия, по которой течет кровь (белые линии тока). Течение крови в аневризме, рассчитанное с помощью модели вязкоупругой жидкости Олдройда.

Неупругие модели неньютоновских жидкостей

В дополнение к вязкоупругим моделям в модуле Гидродинамика полимеров представлен широкий набор неупругих моделей неньютоновских жидкостей. Многие из этих моделей универсальны и используются для описания как дилатантных, так и псевдопластических эффектов. Для более специфических задач также имеются модели вязкопластических и тиксотропных жидкостей.

  • степенной закон
  • модель Карро
  • модель Карро-Ясуда
  • модель Кросса
  • модель Кросса-Вильямсона
  • модель Эллиса
  • модель вязкопластичной жидкости Бингама-Папанастасиу
  • модель вязкопластичной жидкости Кассона-Папанастасиу
  • модель Гершеля-Балкли-Папанастасиу
  • модель Робертссона-Стиффа-Папанастасиу
  • модель ДеКи-Туркотта-Папанастасиу
  • модель тиксотропии Гоуска
Модель течения в плоскодонном миксере с четырехлопастной мешалкой. Течение коллоидной суспензии, смоделированное с помощью степенного закона вязкости. Вязкость резко увеличивается по мере удаления от мешалки, что приводит к очень низкой эффективности перемешивания в верхней части миксера. Результаты моделирования показывают, что, возможно, у поверхности жидкости необходимо установить вторую мешалку.
3D модель процесса щелевого покрытия, где показаны граница раздела фаз, воздушная область, форма и течение неньютоновской жидкости в слое покрытия. Для анализа и оптимизации процесса щелевого покрытия рассчитаны граница раздела и поле скорости при неньютоновском течении в слое покрытия, а также поле скорости воздуха в окружающей среде.

Модели многофазных течений

При моделировании течения в слое покрытия, а также при моделировании потоков со свободной поверхностью и течений в литьевых формах требуется определять положение границы раздела фаз жидкость-воздух. Для решения подобных задач в модуль Гидродинамика полимеров включены три разных модели раздельных течений, основанные на методах расчета межфазной границы. В рамках метода Level Set положение границы раздела фаз определяется из решения уравнения переноса для функции уровня. В рамках метода Phase Field решаются уже два уравнения переноса для переменной фазового поля и плотности энергии смеси. Метод Moving Mesh основан на использовании алгоритмов подвижных сеток.

Модель литьевой формы с расплавленной резиной (показана голубым цветом) в центре и затвердевающей резиной по внешней окружности. Температура показана в цветовой палитре Heat Camera. Для обозначения расплавленной резины, входного и выходного сечений и затвердевающей резины используются аннотации. Затвердевание расплавленной резины в литьевой форме. Параметры вулканизации и сам процесс описаны с использованием температурных функций.

Встроенные функции для температурных зависимостей

Как правило, для экструзии полимеров или заполнения литьевых форм резину или полимерную смесь сначала расплавляют, а затем подвергают вулканизации внутри формы. В модуль Гидродинамика полимеров включены тепловые модели, необходимые для расчета таких процессов: доступны модели Аррениуса, Уильямса-Лэндела-Ферри, а также экспоненциальная модель.

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию. Чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших задач, свяжитесь с нами. Обсудив это с одним из наших торговых представителей или менеджером по продажам, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.

Просто нажмите кнопку "Связаться с представителем COMSOL", укажите свою контактную информацию, замечания или вопросы и отправьте нам. В течение одного рабочего дня с вами свяжется наш торговый представитель или менеджер.

Следующий шаг:
Договоритесь о демонстрации
программного пакета