Software zur Strömungssimulation nicht-newtonscher Fluide

Ausschnitt eines Perlenketten-Modells mit zwei vollständigen und zwei teilweise sichtbaren Perlen, alle mit metallischem Glanz und einer Spiegelung, die Himmel, Bäume und ein Feld zeigt.

Polymerschmelzen, Farben und Proteinsuspensionen

Viskoelastische Fluidmodelle berücksichtigen die Elastizität dieser Arten von Flüssigkeiten. Wenn die Flüssigkeit verformt wird, wirkt ein bestimmter Kraftanteil so, dass die Flüssigkeit wieder in ihren unverformten Zustand zurückkehrt. Bei der Modellierung ist es wichtig, die Verformung des Fluids über die Zeit (d. h. die Form der Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche), die lokalen Kräfte an den Oberflächen, die mit diesen Fluiden in Wechselwirkung treten können, und die Druckverluste in einem System, in dem die Fluidströmung stattfindet, abzuschätzen. Typische Beispiele für diese Fluide sind Polymerschmelzen, Farben und Proteinsuspensionen.

Kolloidale Suspensionen, Ketchup und Lotionen

Kolloidale Suspensionen können ein scherverdickendes Verhalten aufweisen, bei dem die Viskosität mit der Scherrate erheblich zunimmt. Andere Suspensionen können scherverdünnend sein, z. B. Sirupe und Ketchup, bei denen die Viskosität mit der Schergeschwindigkeit abnimmt. Thixotrope Flüssigkeiten weisen auch eine Zeitabhängigkeit auf, bei der die Viskosität mit der Dauer der Scherbelastung abnimmt. Die Modelle, die diese Flüssigkeiten beschreiben, sind alle unelastisch, aber sie beschreiben ein stark nicht-newtonsches Verhalten.

Der Zweck der Modellierung und Simulation ist ähnlich wie bei den oben genannten viskoelastischen Flüssigkeiten: Abschätzung der Form der Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche, der lokalen Kräfte an den Oberflächen, die mit diesen Fluiden in Wechselwirkung treten können. Zudem kann der Druckverlust im System, in dem die Strömung vorliegt, berechnet werden. Darüber hinaus kann die Abhängigkeit von der Temperatur und der Zusammensetzung für die Gestaltung von Herstellungsprozessen wichtig sein, wie z. B. bei der Aushärtung von Gummischmelzen.

Ein dreimal abgebildetes Gießform-Modell mit zunehmender Menge an blauem Gummi im Inneren, von links nach rechts, vom geringsten zum größten Anteil.

Features und Funktionalitäten im Polymer Flow Module

Das Polymer Flow Module bietet spezielle Funktionen für viele Fluidmodelle und -eigenschaften.

Eine Nahansicht der Einstellungen für die Fluideigenschaften mit erweiterter Materialmodell-Liste und ausgewähltem Oldroyd-B-Modell sowie einem Aortenaneurysma-Modell im Grafikfenster.

Viskoelastische Fluidmodelle

Das Polymer Flow Module bietet eine Vielzahl von viskoelastischen Fluidmodellen. Diese Modelle unterscheiden sich in den konstitutiven Beziehungen, die Verformung und durch die Verformung des Fluids verursachten Kräfte beschreiben. Das Oldroyd-B-Modell verwendet eine lineare Beziehung, die als eine Suspension von Hookeschen Federn in einem Newtonschen Lösungsmittel beschrieben werden kann, während die anderen Modelle nichtlineare elastische Effekte und Scherverdünnung beschreiben.

Oldroyd-B
Giesekus
FENE-P
Linear Phan-Thien-Tanner (LPTT)
Exponential Phan-Thien-Tanner (EPTT)

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Two-Phase Flow, Phase Field und einem Schlitzdüsen-Beschichtungsmodell bei 0,1 Sekunden im Grafikfenster.

Mehrphasenströmungsmodelle

Um die Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Luft bei der Simulation von Beschichtungen, freien Oberflächen und Formfüllungen zu modellieren, enthält das Polymer Flow Modul drei verschiedene getrennte Mehrphasen-Strömungsmodelle, die auf Oberflächenverfolgungs-Methoden basieren. Die Methode Level Set verfolgt die Position der Grenzfläche durch Lösen einer Transportgleichung für die Level-Set-Funktion. Die Methode Phase Field verfolgt die Grenzflächenposition durch Lösen von zwei Transportgleichungen für die Phasenfeldvariable und die Mischenergiedichte. Bei der Methode Moving Mesh wird die Position der Grenzfläche mit einem Netz verfolgt, das seine Form ändert.

Eine Nahansicht der Einstellungen der Fluideigenschaften mit erweiterter Auswahlliste des inelastischen Modells wobei das Potenzgesetz ausgewählt ist. Das Grafikfenster zeigt einen nicht-newtonschen Fluidmixer.

Inelastische nicht-Newtonsche Modelle

Zusätzlich zu den viskoelastischen Modellen bietet das Polymer Flow Module eine breite Palette an inelastischen nicht-Newtonschen Modellen. Viele der Modelle sind allgemeiner Art und werden zur Beschreibung der Scherverdünnung und Scherverdickung verwendet. Für spezifischere Anwendungen gibt es Modelle für viskoplastische und thixotrope Fluide.

Power law
Carreau
Carreau–Yasuda
Cross
Cross–Williamson
Ellis
Bingham–Papanastasiou (viskoplastisch)
Casson–Papanastasiou (viskoplastisch)
Herschel–Bulkley–Papanastasiou
Robertsson–Stiff–Papanastasiou
DeKee–Turcotte–Papanastasiou
Houska thixotropy (thixotrop)

Eine Nahansicht der Einstellungen für Two-Phase Flow, Phase Field mit erweiterter Liste der thermischen Funktionen wobei Williams-Landel-Ferry ausgewählt ist. Das Grafikfenster zeigt eine Gummispritzgussform.

Thermische Funktionen für Temperaturabhängigkeit

Eine gängige Methode der Polymerextrusion und Formfüllung besteht darin, die Gummi- oder Polymermischung zu schmelzen. Die Mischung wird dann in der Form ausgehärtet. Das Polymer Flow Module enthält die thermischen Modelle, die zur Modellierung dieser Prozesse notwendig sind: die Modelle Arrhenius, Williams-Landel-Ferry und Exponential sind alle verfügbar.

Polymer Flow Module

Polymerschmelzen, Farben und Proteinsuspensionen

Kolloidale Suspensionen, Ketchup und Lotionen