Software per la simulazione fluidodinamica di fluidi non newtoniani

Polymer Flow Module

Simulare la fluidodinamica di fluidi non newtoniani

Il Polymer Flow Module è un prodotto aggiuntivo di COMSOL Multiphysics^® utilizzato per definire e risolvere i problemi che coinvolgono fluidi non newtoniani con proprietà viscoelastiche, tixotropiche, dilatanti o pseudoplastiche. È possibile tenere conto delle proprietà dei fluidi in funzione della temperatura e della composizione per modellare la vulcanizzazione e la polimerizzazione. In combinazione con altri moduli in COMSOL Multiphysics^®, è anche possibile modellare interazioni fluido–struttura completamente accoppiate e dipendenti dal tempo.

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Visualizzazione ritagliata di un modello con perline su un filo con due perline intere e due perline parziali, tutte con una lucentezza metallica e un riflesso che mostra il cielo, gli alberi e un campo.

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. Durante la simulazione, è importante 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 nel sistema dove scorre il flusso. Esempi tipici di questi fluidi sono i polimeri fusi, le vernici e le sospensioni di proteine.

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 analogo al caso dei fluidi viscoelastici di cui si è parlato 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 scorre il 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.

Modello di stampo mostrato tre volte con quantità crescenti di gomma in blu all'interno, dove il modello a destra è stato riempito di più.

Caratteristiche e funzionalità nel Polymer Flow Module

Il Polymer Flow Module offre funzionalità specializzate per molti modelli e proprietà dei fluidi.

Visualizzazione in primo piano delle impostazioni delle proprietà del fluido con il menu del modello dei materialI e Oldroyd-B selezionato; un modello di aneurisma aortico nella finestra Graphics.

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
Giesekus
FENE-P
LPTT

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Two-Phase Flow, Phase Field evidenziato e un modello di rivestimento di uno stampo a fessura a 0.1 secondi nella finestra Graphics.

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.

Visuaizzazione in primo piano delle impostazioni delle proprietà del fluido, con il menu Inelastic model espanso e legge di potenza selezionata, e un miscelatore non newtoniano nella finestra Graphics.

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)

Vista in primo piano delle impostazioni Two-Phase Flow, Phase field con l'elenco delle funzioni termiche espanso e Williams-Landel-Ferry selezionato; uno stampo a iniezione di gomma nella finestra Graphics.

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.

Polymer Flow Module

Polimeri fusi, vernici e sospensioni di proteine

Sospensioni colloidali, ketchup e lozioni