Gamma di prodotti COMSOL®

Simula la fluidodinamica di fluidi non newtoniani con il Polymer Flow Module

Software di modellazione per flussi monofase e multifase in fluidi non newtoniani

Il Polymer Flow Module è un componente 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.

Cosa puoi modellare con il Polymer Flow Module

I fluidi non newtoniani si trovano in una grande varietà di processi nell'industria dei polimeri, alimentare, farmaceutica, cosmetica, domestica e della chimica fine. Esempi di questi fluidi sono rivestimenti, vernici, yogurt, ketchup, sospensioni colloidali, sospensioni acquose di farmaci, lozioni, creme, shampoo, sospensioni di peptidi e proteine, per citarne alcuni. La modellazione e la simulazione possono essere utilizzate per progettare e ottimizzare i processi in cui sono coinvolti questi fluidi, garantendo prodotti di alta qualità per l'utente finale.

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.

Visualizzazione dell'assottigliamento di un filamento viscoelastico sotto tensione superficiale, dove le gocce sono pressoché sferiche e collegate da fili assottigliati. 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.

Modelli di uno stampo in trasparenza riempito con gomma colorata di azzurro in tre momenti diversi, dove il modello più a destra è stato riempito di più. 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

Un modello nero e rosso di un'arteria che mostra il flusso sanguigno utilizzando linee di flusso bianche 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)
Un modello di serbatoio a fondo piatto che mostra il flusso attorno alla girante a quattro pale inclinate. 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.
Un modello 3D del processo di rivestimento dello stampo a fessura con annotazioni per confine di fase, aria, testa dello stampo a fessura e rivestimento fluido non newtoniano. 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.

Un modello di stampo con gomma fusa blu al centro e gomma solidificata nel cerchio esterno, dove la temperatura è mostrata sotto forma di colori da termocamera e sono presenti annotazioni per gomma fusa, ingresso stampo, uscita stampo e gomma solidificata. 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.

Ogni esigenza di business e di simulazione è diversa. Per valutare se il software COMSOL Multiphysics® soddisfa o meno le vostre esigenze, non dovete fare altro che contattarci. Parlando con uno dei nostri tecnici commerciali, riceverete consigli personalizzati ed esempi completamente documentati per aiutarvi a ottenere il massimo dalla vostra valutazione e guidarvi a scegliere l'opzione di licenza migliore per soddisfare le vostre esigenze.

Basta cliccare sul pulsante "Contatta COMSOL", inserire i propri contatti ed eventuali commenti o domande specifiche, e inviare la richiesta. Riceverete una risposta entro un giorno lavorativo.

Il prossimo passo?
Richiedi una Dimostrazione
del Software