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Simulieren Sie die Strömung nicht-newtonscher Fluide mit dem Polymer Flow Module

Modellierungssoftware für ein- und mehrphasige Strömungen von nicht-newtonschen Fluiden

Das Polymer Flow Module ist ein Add-On zu COMSOL Multiphysics, das zur Definition und Lösung von Fragestellungen mit nicht-newtonschen Fluiden verwendet wird, welche viskoelastische, thixotrope, scherverdickende oder scherverdünnende Eigenschaften aufweisen. Sie können die Eigenschaften der Fluide als Funktion der Temperatur und Zusammensetzung berücksichtigen, um Aushärtung und Polymerisation zu modellieren. In Kombination mit anderen Modulen in COMSOL Multiphysics können Sie auch gekoppelte und zeitabhängige Fluid-Struktur-Wechselwirkungen modellieren.

Was Sie mit dem Polymer Flow Module modellieren können

Nicht-newtonsche Fluide finden sich in einer Vielzahl von Prozessen in der Polymer-, Lebensmittel-, Pharma-, Kosmetik-, Haushalts- und Feinchemieindustrie. Beispiele für diese Fluide sind Beschichtungen, Farben, Joghurt, Ketchup, kolloidale Suspensionen, wässrige Suspensionen von Medikamenten, Lotionen, Cremes, Shampoo, Suspensionen von Peptiden und Proteinen, um nur einige zu nennen. Mit Hilfe von Modellierung und Simulation können Prozesse, an denen diese Fluide beteiligt sind, konzipiert und optimiert werden, um hochwertige Produkte für den Endverbraucher zu gewährleisten.

Polymerschmelzen, Farben und Proteinsuspensionen

Die Elastizität in dieser Art von Fluiden wird durch viskoelastische Fluid-Modelle berücksichtigt. Während der Verformung des Fluids wirkt eine bestimmte Kraft dahingehend, dass das Fluid in seinen undeformierten Zustand zurückgeführt wird. Wichtige Aspekte der Modellierung sind die Abschätzung der zeitlichen Verformung des Fluids, d.h. die Form der Luft-Fluid-Grenzfläche, die lokalen Kräfte auf den Oberflächen, die mit diesen Fluiden in Wechselwirkung treten können, und die Druckverluste in einem System, in dem die Fluidströmung auftritt. Typische Beispiele für diese Fluide sind Polymerschmelzen, Farben und Suspensionen von Proteinen.

Visualisierung der Verdünnung eines viskoelastischen Fadens unter Oberflächenspannung, wobei die Tropfen nahezu kugelförmig sind und durch dünnere Fäden verbunden sind. Benchmark-Modell für die Verdünnung eines viskoelastischen Fadens unter Einwirkung der Oberflächenspannung. Das Filament bildet eine Perlenkettenstruktur mit fast kugelförmigen Tropfen, die durch sich exponentiell verdünnende Fäden verbunden sind. Die Darstellung zeigt die Strömungsgeschwindigkeit bei der Bildung der Fluidperlen.

Kolloidale Suspensionen, Ketchup und Lotionen

Kolloidale Suspensionen können ein Scherverdickungsverhalten zeigen, bei dem die Viskosität mit der Scherrate erheblich ansteigt. Andere Suspensionen weisen ein scherverdünnendes Verhalten auf, bei dem die Viskosität mit der Scherrate abnimmt, wie z. B. Sirupe und Ketchup. Thixotrope Fluide unterliegen zudem einer Zeitabhängigkeit, wobei die Viskosität mit der Dauer der Scherspannung abnimmt. Die Modelle, die diese Fluide beschreiben, sind alle unelastisch, aber sie beschreiben hochgradig nicht-newtonsches Verhalten. Der Zweck der Modellierung und Simulation ist ähnlich wie bei den oben beschriebenen viskoelastischen Fluiden: Abschätzung der Form der Luft-Fluid-Grenzfläche, der lokalen Kräfte auf den Oberflächen, die mit diesen Fluiden wechselwirken können, und der Druckverluste in einem System, in dem die Fluidströmung auftritt. Zusätzlich kann die Abhängigkeit von Temperatur und Zusammensetzung wichtig für die Gestaltung von Herstellungsprozessen sein, zum Beispiel bei der Vulkanisation von Gummischmelzen.

Modell einer grauen Form zu drei verschiedenen Zeiten, die mit einer hellblauen Gummilösung gefüllt wird. Formfüllung einer geschmolzenen Gummilösung. Das Modell verwendet ein Potenzgesetz zur Beschreibung des Verhaltens der Gummischmelze und newtonsche Strömung für den Luftstrom aus der Form. Die Phasenfeldmethode wird verwendet, um die Grenzfläche zwischen den Phasen zu verfolgen.

Features und Funktionalitäten im Polymer Flow Module

Viskoelastische Fluid-Modelle

Das Polymer Flow Module bietet eine Vielzahl von Modellen für viskoelastische Fluide. Diese Modelle unterscheiden sich in den konstitutiven Beziehungen, die die Verformung und die durch die Verformung des Fluids verursachten Kräfte beschreiben. Das Oldroyd-B-Modell verwendet eine lineare Beziehung, die als eine Suspension von Hookesschen Federn in einem Newtonschen Lösungsmittel beschrieben werden kann, während die anderen nichtlineare elastische Effekte und Scherverdünnung beschreiben.

  • Oldroyd-B
  • Gisekus
  • FENE-P
  • LPTT
Ein schwarz-rotes Modell einer Arterie, das den Blutfluss mit weißen Stromlinien zeigt Blutfluss bei einem Aneurysma, modelliert mit dem viskoelastischen Fluidmodell Oldroyd-B.

Inelastische nicht-Newtonsche Modelle

Zusätzlich zu den viskoelastischen Modellen bietet das Polymer Flow Module eine große Auswahl an inelastischen nicht-newtonschen Modellen. Viele der Modelle sind generisch und werden zur Beschreibung von Scherverdünnung und Scherverdickung verwendet. Für spezifischere Anwendungen gibt es Modelle für viskoplastische und thixotrope Fluide.

  • Potenzgesetz
  • Carreau
  • Carreau-Yasuda
  • Cross
  • Cross-Williamson
  • Ellis
  • Bingham-Papanastasiou (Viskoplastisch)
  • Casson-Papanastasiou (Viskoplastisch)
  • Herschel-Bulkley-Papanastasiou
  • Robertsson-Stiff-Papanastasiou*
  • DeKee-Turcotte-Papanastasiou Houska-Thixotropie (Thixotrop)
Ein Tankmodell mit flachem Boden, das die Strömung um den vierblättrigen geneigten Impeller zeigt. Kolloidale Suspension, modelliert mit dem Potenzgesetz-Modell. Die Viskosität steigt vom Rührwerk weg dramatisch an, was zu einer sehr schlechten Durchmischung weiter oben im Mischer führt. Das Modell zeigt, dass ein zweites Laufrad näher an der Oberfläche der Flüssigkeit erforderlich sein kann.
Ein 3D-Modell des Schlitzdüsen-Beschichtungsprozesses mit Beschriftungen für Phasengrenze, Luft, Schlitzdüsenkopf und Beschichtung mit nicht-Newtonschen Fluiden. Die Phasengrenze, das Geschwindigkeitsfeld in der Beschichtung des nicht-Newtonschen Fluids und das Geschwindigkeitsfeld in der Luft, die das System umgibt, werden berechnet, um den Beschichtungsprozess der Gerinnungsdüse zu verstehen und zu optimieren.

Mehrphasen-Strömungsmodelle

Um die Modellierung der Flüssigkeits-Luft-Grenzfläche bei der Simulation von Beschichtungen, freien Oberflächen und Formfüllung zu ermöglichen, enthält das Polymer Flow Module drei unterschiedliche Mehrphasen-Strömungsmodelle für voneinander getrennte Phasen, die auf Oberflächenverfolgungsmethoden basieren. Die Level-Set-Methode verfolgt die Position der Grenzfläche, indem eine Transportgleichung für die Level-Set-Funktion gelöst wird. Die Phase Field-Methode verfolgt die Grenzflächenposition durch Lösen von zwei Transportgleichungen für die Phasenfeldvariable und die Mischenergiedichte. Die Methode Moving Mesh verfolgt die Grenzflächenposition mit einem Netz, das seine Form ändert.

Ein Gießformmodell mit blauem geschmolzenem Gummi in der Mitte und erstarrtem Gummi im äußeren Kreis, wobei die Temperatur in der Wärmebildkamera-Farbskala angezeigt wird und es Erläuterungen für geschmolzenen Gummi, Formeinlass, Formauslass und erstarrten Gummi gibt. Erstarrung einer Gummischmelze in einer Form. Die Vulkanisationseigenschaften und der Vulkanisationsprozess werden mit Hilfe thermischer Funktionen beschrieben.

Thermische Funktionen für die Temperaturabhängigkeit

Eine gängige Methode der Polymerextrusion und Formfüllung ist das Schmelzen des Gummis oder der Polymermischung. Die Mischung wird dann in der Form aushärten gelassen. Das Polymer Flow Module enthält die thermischen Modelle, die zur Modellierung dieser Prozesse erforderlich sind: die Arrhenius-, Williams-Landel-Ferry- und Exponential-Modelle sind alle verfügbar.

Alle Anwendungsfälle und Simulations-Anforderungen sind unterschiedlich. Um zu beurteilen, ob die COMSOL Multiphysics®-Software Ihren Anforderungen entspricht, sollten Sie sich mit uns in Verbindung setzen. Wenn Sie mit einem unserer Vertriebsmitarbeiter sprechen, erhalten Sie personalisierte Empfehlungen und vollständig dokumentierte Beispiele, die Ihnen dabei helfen, eine qualifizierte Bewertung treffen zu können. Sie werden außerdem bei der Auswahl der passenden Lizenzoption für Ihre Bedürfnisse unterstützt. Klicken Sie einfach auf die Schaltfläche "COMSOL kontaktieren", geben Sie Ihre Kontaktdaten sowie Ihre spezifischen Kommentare und Fragen ein und senden Sie diese ab. Sie erhalten innerhalb eines Arbeitstages eine Antwort von einem Vertriebsmitarbeiter.

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