Logiciel de simulation pour les écoulements de fluides non newtoniens

Module Polymer Flow

Simulez l'écoulement de fluides non-newtoniens

Le module Polymer Flow est un module complémentaire du logiciel COMSOL Multiphysics^® qui est utilisé pour définir et résoudre des problèmes impliquant des fluides non newtoniens ayant des propriétés viscoélastiques, thixotropes, d'épaississement au cisaillement ou rhéofluidifiantes. Vous pouvez prendre en compte les propriétés des fluides en fonction de la température et de la composition pour modéliser la réticulation et la polymérisation. Par combinaison avec d'autres modules de COMSOL Multiphysics^®, vous pouvez également modéliser des interactions fluide–structure entièrement couplées et dépendantes du temps.

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Une vue recadrée d'un modèle de gouttes sur un fil montrant deux gouttes complètes et deux gouttes partielles, toutes avec un éclat métallique et un reflet montrant le ciel, les arbres et un champ.

Polymères fondus, peintures et suspensions protéiques

Les modèles de fluides viscoélastiques tiennent compte de leur élasticité. Lorsque le fluide est déformé, une certaine force s'exerce pour le ramener à son état non déformé. Lors de la modélisation, il est important d'estimer la déformation du fluide avec le temps (c'est-à-dire la forme de l'interface air–liquide), les forces locales sur les surfaces qui peuvent interagir avec ces fluides, et les pertes de charges dans le système où dans lequel s'effectue l'écoulement. Les exemples typiques de ces fluides sont les polymères fondus, les peintures et les suspensions de protéines.

Suspensions colloïdales, ketchup et lotions

Les suspensions colloïdales peuvent présenter un comportement d'épaississement au cisaillement, où la viscosité augmente sensiblement avec le taux de cisaillement. D'autres suspensions peuvent présenter un comportement rhéofluidifiant, par exemple les sirops et le ketchup, où la viscosité diminue avec le taux de cisaillement. Les fluides thixotropes ont également une dépendance temporelle, la viscosité diminuant avec la durée du taux de cisaillement. Les modèles décrivant ces fluides sont tous inélastiques, mais ils décrivent un comportement hautement non-newtonien.

L'objectif de la modélisation et de la simulation est similaire à celui des fluides viscoélastiques ci-dessus : estimer la forme de l'interface air–liquide, les forces locales sur les surfaces qui peuvent interagir avec ces fluides, et les pertes de charges dans un système où se produit l'écoulement de fluide. Egalement, la dépendance en température et à la composition peut être importante pour le design des procédés de fabrication, par exemple dans la réticulation de caoutchouc fondu.

Un modèle de moule montré trois fois avec des quantités croissantes de caoutchouc bleu à l'intérieur, du moins rempli au plus rempli, de gauche à droite.

Caractéristiques et fonctionnalités du module Polymer Flow

Le module Polymer Flow offre des fonctionnalités spécialisées pour de nombreuses lois de comportement et propriétés de fluides.

Une vue rapprochée des réglages des Propriétés des fluides avec la liste des modèles de matériaux développée et le modèle Oldroyd-B en sélection, ainsi qu'un modèle d'anévrisme aortique dans la fenêtre graphique.

Modèles de fluides viscoélastiques

Le module Polymer Flow présente une large variété de modèles de fluides viscoélastiques. Ces modèles diffèrent par les relations constitutives décrivant la déformation et les forces causées par la déformation du fluide. Le modèle Oldroyd-B utilise une relation linéaire, qui peut être décrite comme une suspension de ressorts de Hooke dans un solvant newtonien, tandis que les autres décrivent des effets élastiques non linéaires et une rhéofluidification.

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

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Ecoulement diphasique, champ de phase mis en évidence et un modèle de filière d'enduction à fente à l'instant 0,1 seconde dans la fenêtre graphique.

Modèles d'écoulements multiphasiques

Afin de modéliser l'interface liquide–air lors de la simulation d'enduction, de surfaces libres et de remplissage de moules, le module Polymer Flow comprend trois types de modèles d'écoulements multiphasiques basés sur des méthodes de suivi d'interface. La méthode Level set suit la position de l'interface en résolvant une équation de transport pour la fonction level set. La méthode Champ de phase suit la position de l'interface en résolvant deux équations de transport pour la variable de champ de phase et la densité d'énergie de mélange. La méthode Maillage mobile suit la position de l'interface avec un maillage qui évolue au cours de la simulation.

Une vue rapprochée des réglages des propriétés du fluide avec la liste des modèles inélastiques développée et la loi de puissance sélectionnée, et une image d'un mélangeur de fluide non-newtonien dans la fenêtre graphique.

Modèles inélastiques non-newtoniens

En plus des modèles viscoélastiques, le module Polymer Flow propose une large gamme de modèles inélastiques non-newtoniens. De nombreux modèles sont génériques et utilisés pour décrire l'amincissement (rhéofluidification) ou l'épaississement par cisaillement. Pour des applications plus spécifiques, il existe des modèles pour les fluides viscoplastiques et thixotropes.

Loi de puissance
Carreau
Carreau–Yasuda
Cross
Cross–Williamson
Ellis
Bingham–Papanastasiou (Viscoplastique)
Casson–Papanastasiou (Viscoplastique)
Herschel–Bulkley–Papanastasiou
Robertsson–Stiff–Papanastasiou
DeKee–Turcotte–Papanastasiou
Houska thixotropy (Thixotrope)

Une vue rapprochée des paramètres d'Ecoulement diphasique, champ de phase, avec la liste des fonctions thermiques développée avec comme sélection le modèle de Williams-Landel-Ferry, ainsi qu'un moule d'injection de caoutchouc dans la fenêtre graphique.

Fonctions thermiques pour la dépendance en température

Une méthode courante d'extrusion de polymères et de remplissage de moules consiste à faire fondre le mélange de caoutchouc ou de polymère. On laisse ensuite le mélange durcir à l'intérieur du moule. Le module Polymer Flow comprend les modèles thermiques nécessaires pour modéliser ces procédés : les modèles Arrhenius, Williams–Landel–Ferry et Exponentiel sont tous disponibles.

Module Polymer Flow

Polymères fondus, peintures et suspensions protéiques

Suspensions colloïdales, ketchup et lotions