Simula la fluidodinamica di fluidi non newtoniani con il Polymer Flow Module
In questa pagina:
Software di modellazione per flussi monofase e multifase in fluidi non newtoniani
Cosa puoi modellare con il Polymer Flow Module
Polimeri fusi, vernici e sospensioni di proteine
I modelli di fluido viscoelastico tengono conto dell'elasticità di questi tipi di fluidi. Quando il fluido è deformato, c'è una certa quantità di forza che lavora per riportare il fluido al suo stato non deformato. Aspetti importanti della modellazione sono stimare la deformazione del fluido nel tempo, cioè la forma dell'interfaccia aria–liquido, le forze locali sulle superfici che possono interagire con questi fluidi e le perdite di carico in un sistema dove il fluido scorre. Esempi tipici di questi fluidi sono i polimeri fusi, le vernici e le sospensioni di proteine.
Modello di riferimento per l'assottigliamento di un filamento viscoelastico sotto l'azione della tensione superficiale. Il filamento forma una struttura a perline con gocce quasi sferiche collegate da fili che si assottigliano in modo esponenziale. Il grafico mostra la velocità del flusso quando si formano le sfere di fluido.
Sospensioni colloidali, ketchup e lozioni
Le sospensioni colloidali possono presentare un comportamento di ispessimento a taglio o dilatante, in cui la viscosità aumenta sostanzialmente con la velocità di taglio. Altre sospensioni possono presentare un comportamento di assottigliamento a taglio o pseudoplastico, per esempio sciroppi e ketchup, dove la viscosità diminuisce con la velocità di taglio. I fluidi tixotropici hanno anche una dipendenza dal tempo, dove la viscosità diminuisce con la durata della velocità di taglio. I modelli che descrivono questi fluidi sono tutti inelastici, ma descrivono un comportamento altamente non newtoniano. Lo scopo della modellazione e della simulazione è simile a quello dei fluidi viscoelastici di cui sopra: stimare la forma dell'interfaccia aria–liquido, le forze locali sulle superfici che possono interagire con questi fluidi e le perdite di pressione in un sistema in cui si verifica il flusso del fluido. Inoltre, la dipendenza dalla temperatura e dalla composizione può essere importante per la progettazione nei processi di produzione come, ad esempio, la fase di curing delle gomme.
Riempimento dello stampo di gomma fusa. Il modello utilizza una power law per descrivere il comportamento della massa fusa di gomma mentre un flusso newtoniano per descrivere il comportamento dell'aria fuori dallo stampo. Il metodo phase field viene utilizzato per tracciare l'interfaccia tra le fasi.
Caratteristiche e funzionalità nel Polymer Flow Module
Modelli di fluidi viscoelastici
Il Polymer Flow Module presenta una varietà di modelli di fluidi viscoelastici. Questi modelli differiscono nelle relazioni costitutive che descrivono la deformazione e le forze causate dalla deformazione del fluido. Il modello Oldroyd-B utilizza una relazione lineare, che può essere descritta come una sospensione di molle hookiane in un solvente newtoniano, mentre gli altri descrivono effetti elastici non lineari e di assottigliamento al taglio o pseudoplastici.
- Oldroyd-B
- Gisekus
- FENE-P
- LPTT
Flusso sanguigno in un aneurisma modellato utilizzando il modello del fluido viscoelastico Oldroyd-B.
Modelli inelastici non newtoniani
Oltre ai modelli viscoelastici, il Polymer Flow Module offre un'ampia gamma di modelli inelastici non newtoniani. Molti dei modelli sono generici, usati per descrivere l'assottigliamento (pseudoplasticità) e l'ispessimento (comportamento dilatante) al taglio. Per applicazioni più specifiche, esistono modelli per fluidi viscoplastici e tixotropici.
- Power Law
- Carreau
- Carreau–Yasuda
- Cross
- Cross–Williamson
- Ellis
- Bingham–Papanastasiou (Viscoplastic)
- Casson–Papanastasiou (Viscoplastic)
- Herschel–Bulkley–Papanastasiou
- Robertsson–Stiff–Papanastasiou
- DeKee–Turcotte–Papanastasiou Houska tixotropia (Tixotropico)
Sospensione colloidale modellata con il modello Power Law. La viscosità aumenta notevolmente allontanandosi dalla girante, producendo una miscelazione molto scarsa nella parte superiore del miscelatore. Il modello mostra che potrebbe essere necessaria una seconda girante più vicina alla superficie del liquido.
Il confine di fase, il campo di velocità nel rivestimento fluido non newtoniano e il campo di velocità nell'aria che circonda il sistema vengono calcolati al fine di comprendere e ottimizzare il processo di rivestimento dello stampo.
Modelli flussi multifase
Per rendere possibile la modellazione dell'interfaccia liquido–aria durante la simulazione di rivestimenti, superfici libere e riempimento dello stampo, il Polymer Flow Module include tre differenti modelli multifase per flussi separati basati su metodi di tracciamento della superficie. Il metodo Level Set tiene traccia della posizione dell'interfaccia risolvendo un'equazione di trasporto per la funzione level-set. Il metodo Phase Field tiene traccia della posizione dell'interfaccia risolvendo due equazioni di trasporto per la variabile del campo di fase e la densità di energia di miscelazione. Il metodo Moving Mesh tiene traccia della posizione dell'interfaccia con una mesh che cambia forma.
Solidificazione di una gomma fusa in uno stampo. Le proprietà di curing e il processo di curing sono descritti utilizzando funzioni in temperatura.
Funzioni termiche per la dipendenza dalla temperatura
Un metodo comune di estrusione del polimero e riempimento dello stampo consiste nel fondere la miscela di gomma o polimero. La miscela viene quindi lasciata polimerizzare all'interno dello stampo. Il Polymer Flow Module include i modelli termici necessari per modellare questi processi: Arrhenius, Williams–Landel–Ferry e i modelli Exponential sono tutti disponibili.
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