聚合物流动模块

COMSOL Multiphysics® 5.6 版本带来了新的“聚合物流动模块”。这是 COMSOL Multiphysics® 的附加产品,其中包含黏弹性无弹性非牛顿 模型,用于描述聚合物、食品、医药、化妆品、家居产品和精细化工行业的各种过程中的流体。不仅如此,“聚合物流动模块”还提供了自由表面跟踪方法,用来预测涂层、液体混合以及模具填充应用中的液-气界面形状。

黏弹性流体模型

黏弹性流体模型用于说明这些流体类型的弹性。当流体发生变形时,会有一定的力使流体返回其变形前的状态,典型例子包括聚合物熔体、油漆和蛋白质悬浮液。“聚合物流动模块”提供了多种黏弹性流体模型,例如 Oldroyd-B、Gisekus、FENE-P 和 LPTT 模型,可以用于预测流体施加的力、涂层在受力作用下的均匀性,以及涉及聚合物固化工艺中的充模程度。

细丝在 25 秒、100 秒和 300 秒时形成串珠结构的过程,液滴在 300 秒时看起来几乎呈球形,使得周围环境在流体中反射出来。 黏弹性细丝在表面张力作用下的细化过程 本例采用 Oldroyd-B 流体来模拟黏弹性细丝在表面张力作用下的颈缩过程。在时间小于聚合物弛豫时间的情况下,细丝会形成串珠结构。在远远超过弛豫时间的情况下,溶液由几乎是球形的液滴(通过以指数倍率变细的细丝连接)组成。

无弹性非牛顿流模型

除黏弹性流体模型以外,“聚合物流动模块”还提供应用广泛的通用无弹性非牛顿模型,用于描述剪切稀化和剪切增稠。对于更具体的应用,还提供了黏塑性和触变流体模型。胶状悬浮液可能表现出剪切增稠的特性,其黏度随剪切速率显著增加。其他悬浮液可能表现出剪切稀化特性,比如糖浆和番茄酱,其黏度会随剪切速率而降低。此外,触变流体还具有时间依赖性,其黏度会随着剪切速率的持续时间而降低。用于描述这些流体的模型都是非弹性的,但它们描述的是高非牛顿特性。

演示使用剪切稀化流体的狭缝式涂布工艺的 COMSOL 模型。 使用剪切稀化流体的狭缝式涂布 使用剪切稀化流体的狭缝式涂布模型。注射速度和模具速度对于获得厚度均匀的涂层非常重要。

多相流模型

为了在模拟涂层、自由表面和充模时对液-气界面进行建模,“聚合物流动模块”提供了基于以下表面跟踪方法的三种不同的分离多相流模型:水平集相场动网格 方法。

灰色模具在三个不同的时间用浅蓝色橡胶溶液填充的模型,其中最右侧模型的填充量最大。 三个不同时间的充模 熔融橡胶充模。

新增平均选项用于跨相界面的流体属性

在两相流仿真中,当密度和/或黏度比很大时,使用跨相界面的体积平均流体属性可能会导致结果过度模糊。在某些情况下,锐化过渡区的流体属性或将其替换为两相中的一相,可以提高精度和/或收敛性。在 5.6 版本中,用户可以使用平滑的 Heaviside 函数和谐波体积平均来计算密度和黏度。对于黏度,也可以选择使用质量平均和谐波质量平均。

一维绘图,其中蓝线表示体积平均值,绿色表示 Heaviside 函数,红色表示谐波体积平均值,蓝绿色表示质量平均值,洋红色表示谐波质量平均值。 求平均值示例 用于求空气-水界面的平均黏度的不同选项。

更轻松地建立相场和水平集模型

新版本对水平集相场 接口进行了重构:现在默认添加两个初始值 节点,之前使用的初始界面 特征已被移除。取而代之的是,软件会将初始界面自动放置在具有不同初始相的两个初始值 节点之间的边界上。

COMSOL Multiphysics 5.6 版用户界面,显示了“初始值,流体 2”的设置,“图形”窗口中显示液滴破碎模型的几何结构。 初始值设置,几何
COMSOL Multiphysics 5.6 版用户界面,显示了“初始值,流体 2”的设置,“图形”窗口中显示三维液滴破碎模型,液滴中反射出周围环境。 初始值设置,三维模型结果

初始值,流体 2 特征的设置 。请注意,本例不再需要 初始界面特征。在 相初始化研究步骤中求解水平集或相场函数的初始分布。

新的教学案例

“聚合物流动模块”随附了多个教学案例。


Carbopol 是 Lubrizol Advanced Materials, Inc. 的注册商标。