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非牛頓流體單相和多相流建模軟體

“高分子(聚合物)流動模組”是 COMSOL Multiphysics 的一個附加產品，用於定義和求解具有黏彈性、觸變性、剪切增稠或剪切稀化屬性的非牛頓流體問題。您可以將流體的屬性作為溫度和組分的函數來類比固化和聚合反應。不僅如此，通過將本模組與 COMSOL Multiphysics 的其他模組結合使用，您還可以模擬全耦合的瞬態流-固耦合問題。


黏弹性细丝在表面张力作用下的细化过程可视化效果，其中的液滴几乎为球形，并通过变细的线连接。

高分子流動模組支援的建模物件

高分子、食品、醫藥、化妝品、家居產品和精細化工等行業的各種過程中都存在非牛頓流體，比如塗料、油漆、優酪乳、番茄醬、膠狀懸浮液、藥物的水懸浮液、乳液、洗面乳、洗髮乳、肽和蛋白質的懸浮液等等，都屬於非牛頓流體。您可以使用建模模擬來設計和優化涉及這些流體的各種過程，從而確保為最終使用者提供高品質的產品。

高分子熔體、油漆和蛋白質懸浮液

黏彈性流體模型可以分析這類流體的彈性。當流體發生變形時，會有一定的力使流體返回其未變形狀態。建模的重要方面包括計算流體隨時間的變形，即氣-液介面的形狀，表面上可能與這些流體相互作用的局部力，以及存在流體流動的系統中的壓力損失。這些流體的典型例子包括高分子熔體、油漆和蛋白質懸浮液。

膠狀懸浮液、番茄醬和乳液

膠狀懸浮液可能表現出剪切增稠的特性，其黏度隨剪切速率顯著增加。另一些懸浮液則可能表現出剪切稀化特性，比如糖漿和番茄醬，其黏度會隨剪切速率而降低。此外，觸變流體還具有時間依賴性，其黏度會隨著剪切速率的持續時間而降低。雖然用於描述這些流體的模型都是非彈性的，但它們能夠描述高度非牛頓特性。建模仿真的目的與上面的黏彈性流體相似：計算氣-液介面的形狀、表面上可能與這些流體相互作用的局部力，以及存在流體流動的系統中的壓力損失。此外，對溫度和組分的依賴性可能對製造工藝的設計非常重要，例如橡膠熔體的固化。

高分子流模組的特徵和功能

黏彈性流體模型

“高分子流模組”的特點在於提供了多種黏彈性流體模型，描述了各種流體變形與作用力之間的本構關係。Oldroyd-B 模型採用線性關係，可以描述為胡克彈簧在牛頓溶劑中的懸浮液，而另一些模型則描述非線性彈性效應和剪切稀化。

  • Oldroyd-B

  • Gisekus

  • FENE-P

  • LPTT

非彈性非牛頓模型

除黏彈性模型以外，“高分子流模組”還提供廣泛應用的非彈性非牛頓模型，其中許多模型都具有通用性，可用於描述剪切稀化和剪切增稠。對於特殊應用，還提供了黏塑性和觸變流體模型。

  • 冪律

  • Carreau

  • Carreau-Yasuda

  • 交叉

  • Cross-Williamson

  • Ellis

  • Bingham-Papanastasiou（黏塑性）

  • Casson-Papanastasiou（黏塑性）

  • Herschel-Bulkley-Papanastasiou

  • Robertsson-Stiff-Papanastasiou

  • DeKee-Turcotte-Papanastasiou Houska 觸變模型（觸變性）

多相流模型

為了能夠在模擬塗層、自由表面和充模時對液-氣介面進行建模，“高分子流模組”提供了三種不同的基於表面跟蹤方法的分離多相流模型。其中水準集 方法通過求解水準集函數的輸運方程來跟蹤介面位置；相場 方法通過求解相場變數和混合能量密度的兩個輸運方程來跟蹤介面位置；動網格 方法則使用可以改變形狀的網格來跟蹤介面位置。

溫度相關性的熱函數

高分子(聚合物)擠出和充模的常用方法是熔融橡膠或高分子混合物，然後使混合物在模具內固化。“高分子流模組”提供了類比這些過程所需的熱力學模型：阿累尼烏斯、Williams-Landel-Ferry 和指數 模型。

狭缝式涂布工艺三维模型，其中包含相边界、空气、狭缝模头和非牛顿流体涂布的标注。

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