COMSOL Polymer Flow Module 6.4
DESCRIPCIÓN
El módulo Polymer Flow Module es un complemento de COMSOL Multiphysics que se utiliza para definir y resolver problemas que involucre fluidos no newtonianos con propiedades viscoelásticas, tixotrópicas, de espesamiento por cizalladura o adelgazamiento por cizalladura. Puede tener en cuenta las propiedades de los fluidos en función de la temperatura y la composición para modelar el curado y la polimerización. En combinación con otros módulos en COMSOL Multiphysics, también puede modelar interacciones fluido-estructura totalmente acopladas y dependientes del tiempo.
SECTORES
Qué se puede modelar con el módulo Polymer Flow Module
Los fluidos no newtonianos se encuentran en una gran variedad de procesos en las industrias de polímeros, alimentos, farmacéutica, cosmética, hogar y química fina. Ejemplos de estos fluidos son revestimientos, pinturas, yogur, kétchup, suspensiones coloidales, suspensiones acuosas de fármacos, lociones, cremas, champús, suspensiones de péptidos y proteínas, por mencionar algunos. El modelado y la simulación se pueden utilizar para diseñar y optimizar los procesos en los que intervienen estos fluidos, lo que garantiza productos de alta calidad para el usuario final.
Polímeros fundidos, pinturas y suspensiones de proteínas
Los modelos de fluidos viscoelásticos dan cuenta de la elasticidad en este tipo de fluidos. A medida que el fluido se deforma, existe una cierta cantidad de fuerza que actúa para devolver el fluido a su estado no deformado. Los aspectos importantes del modelado son estimar la deformación del fluido con el tiempo, es decir, la forma de la interfaz aire-líquido, las fuerzas locales en las superficies que pueden interactuar con estos fluidos y las pérdidas de presión en un sistema donde el fluido fluye ocurre. Los ejemplos típicos de estos fluidos son polímeros fundidos, pinturas y suspensiones de proteínas.
Suspensiones coloidales, salsa de tomate y lociones
Las suspensiones coloidales pueden exhibir un comportamiento de espesamiento por cizalladura, donde la viscosidad aumenta sustancialmente con la velocidad de cizalladura. Otras suspensiones pueden ser diluyentes por cizallamiento, por ejemplo jarabes y kétchup, donde la viscosidad disminuye con la velocidad de cizalladura. Los fluidos tixotrópicos también tienen una dependencia del tiempo, donde la viscosidad disminuye con la duración de la velocidad de corte. Los modelos que describen estos fluidos son inelásticos, pero describen un comportamiento altamente no newtoniano. El propósito del modelado y la simulación es similar al de los fluidos viscoelásticos anteriores: estimar la forma de la interfaz aire-líquido, las fuerzas locales en las superficies que pueden interactuar con estos fluidos y las pérdidas de presión en un sistema donde ocurre el flujo de fluido. Además, la dependencia de la temperatura y la composición puede ser importante para el diseño de procesos de fabricación, por ejemplo, con el curado del caucho fundido.
CARACTERÍSTICAS
Modelos de fluidos viscoelásticos
Polymer Flow Module dispone de una variedad de modelos de fluidos viscoelásticos. Estos modelos difieren en las relaciones constitutivas que describen la deformación y las fuerzas causadas por la deformación del fluido. El modelo Oldroyd-B utiliza una relación lineal, que puede describirse como una suspensión de resortes Hookean en un solvente Newtoniano, mientras que otros describen efectos elásticos no lineales y adelgazamiento por cizalladura.
- Oldroyd-B
- Gisekus
- FENE-P
- LPTT
Un modelo en negro y rojo de una arteria mostrando el flujo de sangre utilizando líneas de corriente blancas.
Modelos no Newtonianos inelásticos
Además de los modelos viscoelásticos, Polymer Flow Module dispone de un amplio abanico de modelos no Newtonianos inelásticos. Muchos de los modelos son genéricos, utilizados para describir el adelgazamiento de cizalladura y el engrosamiento de cizalladura. Para aplicaciones más específicas, existen modelos para fluidos viscoplástico y tixotrópicos.
- 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 thixotropy (Thixotropic)
Modelo de tanque de fondo plano que muestra el flujo alrededor del impulsor inclinado de cuatro palas.
Modelos de flujo multifase
Para posibilitar el modelado de la interfaz líquido-aire cuando se simulan revestimientos, superficies libres y relleno de moldes, Polymer Flow Module incluye tres modelos de flujo multifase separados diferentes basados en métodos de seguimiento de superficie. El método de Ajuste de nivel sigue la posición de la interfaz resolviendo una ecuación de transporte para la función de ajuste de nivel. El método de Campo de Fase sigue la posición de la interfaz resolviendo dos ecuaciones de tranporte para la variable de campo de fase y la densidad de energía de mezclado. El método Malla móvil sigue la posición de la interfaz con una malla que cambia la forma.
Funciones térmicas para dependencia de la temperatura
Un método habitual de extrusión de polímero y llenado de moldes es fundir la mezcla de caucho o polímero. Entonces se permite que la mezcla se cure dentro del molde. Polymer Flow Module incluye los modelos térmicos requeridos para modelar estos procesos: los modelos Arrhenius, Williams-Landel-Ferry, y Exponencial están disonibles.
VERSIONES
6.4
NOVEDADES
Curado en sólidos
El curado de materiales como compuestos y adhesivos, cuyos efectos térmicos son cruciales para el rendimiento del producto, ahora se puede modelar tanto en fluidos como en sólidos. La interfaz de Curing Reaction se ha ampliado para permitir el modelado directo de procesos de curado en materiales sólidos. El acoplamiento extendido Curing Reaction Heating vincula las interfaces Heat Transfer in Solids y Curing Reaction interfaces, lo que permite predicciones robustas del comportamiento de curado en función de la temperatura.
La interfaz de usuario con el acoplamiento multifísico de calentamiento de reacción de curado seleccionado, mostrando la ventana de Configuración correspondiente.
Condición periódica
Se ha añadido una nueva función Periodic Condition a las interfaces Darcy's Law y Richards' Equation para aplicar fácilmente la periodicidad del flujo entre dos o más límites. Además, es posible crear una diferencia de presión entre los límites de origen y destino, ya sea especificando directamente el salto de presión o prescribiendo un caudal másico. La condición periódica se utiliza habitualmente para modelar elementos de volumen representativos y calcular propiedades efectivas para su uso en medios porosos homogeneizados.
Utilizando la nueva función Condición Periódica para estimar la permeabilidad de un medio poroso que consiste en una matriz periódica de esferas.
Opción de salto de presión para el acoplamiento de flujo de medios libres y porosos
El acoplamiento Free and Porous Media Flow Coupling ofrece una nueva opción que incluye un salto de presión en el límite libre-poroso. Esto permite modelar, por ejemplo, la presión osmótica en una membrana semipermeable soportada por un material espaciador poroso o un salto de presión debido a la presión capilar en el caso de un flujo multifásico.
Utilizando la nueva casilla de verificación Incluir salto de presión a través del límite libre-poroso para el Acoplamiento de flujo de medios libres y porosos para modelar la presión osmótica en una membrana semipermeable delgada en una unidad de desalinización.
6.3
NOVEDADES
La nueva versión incorpora funciones para simular fluidos no newtonianos en medios porosos, nuevas interfaces para maquinaria rotatoria con flujo no isotérmico y tres nuevos modelos tutoriales.
Flujo no newtoniano en medios porosos
La capacidad de modelar el flujo de fluidos no newtonianos en medios porosos suele ser necesaria cuando se modelan aplicaciones en los campos de la biomedicina, la farmacéutica y la tecnología alimentaria. Las interfaces Brinkman Equations; Darcy's Law; Free and Porous Media Flow, Brinkman; y Free and Porous Media Flow, Darcy se han ampliado con formulaciones de fluidos no newtonianos. Esta extensión permite el modelado de fluidos no newtonianos en medios porosos, así como el modelado de sistemas que consisten en canales abiertos y medios porosos cuando se utiliza la interfaz Brinkman Equations. La formulación de fluidos no newtonianos cubre los comportamientos de los fluidos que abarcan desde el adelgazamiento por cizallamiento hasta el engrosamiento por cizallamiento. Esta formulación se puede ver en los modelos tutoriales Blood Flow in a Stenosed Pulmonary Artery y Homogenization of Non-Newtonian Porous Media Flow.
La ventana Settings para la función Fluid en la interfaz Free and Porous Media Flow, Brinkman que muestra la selección de propiedades de fluido para el modelo de fluido no newtoniano inelástico de Carreau.
Maquinaria rotatoria, flujo no isotérmico
Se han añadido las interfaces multifísicas Rotating Machinery, Nonisothermal Flow al módulo Polymer Flow Module. Presentan formulaciones de modelos de fluidos no newtonianos inelásticos para modelar, por ejemplo, extrusores y mezcladores que se encuentran en las industrias de polímeros y alimentos. El modelo de viscosidad también incluye efectos térmicos, como funciones térmicas Exponential, Arrhenius, Williams–Landel–Ferry, y User defined. Los modelos tutoriales Flow in an Internal Mixer y Pasta Extrusion muestran esta funcionalidad.
La ventana Settings de la función Fluid Properties que muestra la configuración de los efectos térmicos para el modelo de fluido no newtoniano inelástico de Carreau.
Nuevos modelos tutoriales
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Blood Flow in a Stenosed Pulmonary Artery |
Homogenization of Non-Newtonian Porous Media Flow |
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Flow in an Internal Mixer |
6.2
NOVEDADES
Nueva formulación de conformación
Polymer Flow Module presenta una nueva formulación de conformación que amplía la capacidad de modelar flujos viscoelásticos y es más preciso para los parámetros de materiales que dependen del flujo. La nueva formulación se puede utilizar para modelar, por ejemplo, la extrusión de polímeros. Puede encontrarse esta opción en la configuración de la interfaz Viscoelastic Flow, bajo los ajustes de Viscoelastic Constitutive Equation Formulation.
El componente yz del tensor de tensión viscoelástico en una boquilla de extrusión.
Inicialización de flujo y flujo Hele-Shaw
Se ha añadido una nueva interfaz Incompressible Potential Flow bajo la sección Potential Flow en la rama Fluid Flow. El flujo que es simultáneamente solenoidal e irrotacional se puede representar como un flujo potencial incompresible y, en muchos escenarios, este enfoque proporciona aproximaciones razonablemente precisas que se resuelven rápidamente. Esta interfaz también se puede utilizar para obtener valores iniciales para modelos de flujo de fluidos más complejos, incluidos los efectos de rotación. Además, el flujo potencial se puede utilizar para modelar el flujo progresivo entre placas paralelas en, por ejemplo, celdas de Hele-Shaw.
Flujo en una celda Hele-Shaw, donde la solución que se muestra en la figura superior se obtuvo usando la interfaz Incompressible Potential Flow y la solución que se muestra en la figura inferior se obtuvo con la interfaz de Creeping Flow. La simulación de flujo potencial se completó en 18 segundos, mientras que la simulación de flujo progresivo tomó 25 minutos.
6.1
NOVEDADES
La versión 6.1 introduce materiales para acoplamientos de flujo multifásico, grupos de propiedades de materiales no newtonianos inelásticos y simulaciones de flujo viscoelástico no isotérmico.
Materiales multifásicos para acoplamientos de flujo multifásico
Los acoplamientos multifísicos The Two-Phase Flow, Level Set, Two-Phase Flow, Phase Field y Three-Phase Flow, Phase Field tienen una nueva opción para obtener las propiedades efectivas del material a partir de un nodo Multiphase Material, con reglas de mezcla integradas. Esto es especialmente eficiente cuando se acoplan estas interfaces multifísicas con otras físicas, como la transferencia de calor o la electrostática, ya que el material multifásico utilizará las reglas de mezcla apropiadas para las propiedades del material no fluido. En versiones anteriores, esto requería que se escribieran expresiones definidas por el usuario basadas en la fracción de volumen de cada fase fluida para calcular las propiedades materiales efectivas utilizadas en cada interfaz física. Los modelos "2D Non-Newtonian Slot Die Coating" y "Rubber Injection Moldin" muestran esta nueva característica.
La tabla de reglas de mezcla para calcular las propiedades efectivas del material para un modelo con flujo no isotérmico de dos fases. Las propiedades del material dependen de la temperatura y la conversión.
Grupos de propiedades de materiales no newtonianos inelásticos
Se han añadido grupos de propiedades de materiales dedicados para la mayoría de los modelos inelásticos no newtonianos disponibles en Polymer Flow Module. Cada grupo de propiedades del material contiene todos los parámetros necesarios del material y la expresión de la viscosidad aparente. Recoge la velocidad de corte de una interfaz de Fluid Flow para definir la viscosidad dinámica del fluido por medio de una regla de sincronización. Por lo tanto, se puede seleccionar directamente un modelo inelástico no newtoniano añadiendo el grupo Material Properties correspondiente como un subnodo a un nodo de material.
Configuración para el nodo Phase. Téngase en cuenta que el modelo no newtoniano se selecciona directamente en el nodo Materials.
Flujo viscoelástico no isotérmico
El nodo Fluid Properties en la interfaz Viscoelastic Flow ahora incluye la opción para especificar la dependencia con la temperatura de las propiedades del material utilizando un conjunto de funciones térmicas predefinidas.
El nuevo acoplamiento multifísico Nonisothermal Flow puede ser utilizado para acoplar las interfaces Viscoelastic Flow y Heat Transfer in Fluids. La fuente de calor, correspondiente al calentamiento debido a las pérdidas irreversibles, se tiene en cuenta si la casilla de verificación Include irreversible losses está seleccionada. La nueva interfaz Nonisothermal Flow, Viscoelastic Flow incluye interfaces Viscoelastic Flow y Heat Transfer in Fluids y el acoplamiento multifísico Nonisothermal Flow.
Distribución de temperatura durante el flujo no isotérmico del flujo viscoelástico en la matriz.
Mejoras en la interfaz de conjunto de niveles
En la interfaz Level Set, una nueva funcionalidad de medio poroso puede vincularse a la definición de la porosidad dada en el nodo Porous Material. La interfaz multifísica Brinkman Equations, Two-Phase Flow, Level Set y la nueva interfaz Level Set in Porous Media incluyen esta nueva función de forma predeterminada. Puede verse esta mejora en el nuevo modelo "Resin Transfer Molding of a Wind Turbin Blade".
La nueva función Porous Medium para la interfaz Level Set in Porous Media.
Nuevo modelo tutorial
Resin Transfer Molding of a Wind Turbine Blade
El campo de velocidad y la fracción de volumen de resina de una pala de aerogenerador después de 30 minutos de inyección de resina.
6
NOVEDADES
La versión 6.0 trae nuevos modelos viscoelástico e inelásticos, una interfaz de curado Curing, y la interacción fluido-estructura para fluidos viscoelásticos.
Nuevo modelo viscoelástico para polímeros fundidos
Para la interfaz Viscoelastic Flow, se ha añadido un nuevo modelo de material exponencial Phan-Thien Tanner (EPTT). Este modelo viscoelástico se deriva de la teoría cinética, que describe las masas fundidas poliméricas como redes elásticas. Se supone que la destrucción de uniones entre los hilos de la red está relacionada con el tamaño medio de la red. La función de relajación es una expresión exponencial, que es una descripción más precisa de la fusión de polímeros que la función lineal, LPTT. La función de relajación se utiliza para describir la relajación del estrés con el tiempo. Cuando se describen masas fundidas de polímeros, se requiere una relajación precisa de la tensión y deformaciones viscoelásticas y se pueden utilizar en procesos de extrusión y moldeado de plástico, por ejemplo.
Interfaz de usuario de Ajustes para el modelo EPTT.
Modelo de Sisko para flujo inelástico
El modelo inelástico de Sisko es una generalización del modelo de ley de potencia. Describe con precisión una suspensión fluídica con una fracción de gran volumen de partículas, como sangre, por ejemplo. Si bien el modelo de la ley de potencia puede describir con precisión el flujo de estas suspensiones a velocidades de cizallamiento medias, el modelo de Sisko también puede describir los regímenes de tasa de cizalladura del flujo moderados y altos.
La interfaz de usuario para seleccionar los modelos de flujo inelástico, en este caso el modelo de Sisko.
Interfaz de reacción de curado
El término curado (curing) se refiere a la reticulación de resinas termoendurecibles, por ejemplo, un poliéster insaturado o una resina epoxi. El término vulcanización se utiliza para cauchos y gomas. Un termoestable es un polímero, resina o plástico que se endurece irreversiblemente mediante curado. Para los termoendurecibles, la viscosidad depende tanto de la temperatura como del grado de curado. La nueva interfaz de Curing Reaction incluye dos modelos predefinidos para la dependencia de la viscosidad del grado de curado. Estos son los modelos de Castro-Macosko y de percolación. La velocidad del proceso de curado se puede describir de acuerdo con los modelos de cinética de reacción de Sestak-Berggren, Kama-Sourour y de n-ésimo orden, que están predefinidos en la interfaz de Curing Reaction.
Interacción fluido-estructura para fluidos viscoelásticos
Las fuerzas ejercidas por un fluido viscoelástico sobre una superficie sólida en un modelo deben formularse específicamente para cada modelo viscoelástico. En la nueva versión del módulo Polymer Flow, las fuerzas del fluido están predefinidas cuando se seleccionan los nuevos acoplamientos multifísicos de interacción fluido-estructura: Interacción fluido-sólido, Flujo viscoelástico; Interacción fluido-sólido, Flujo viscoelástico; y Geometría fija. Estos permiten un cálculo preciso de tensiones y deformaciones, así como de deformaciones en dispositivos utilizados para extrusión de polímeros, moldeo y otros procesos que involucran fluidos viscoelásticos. Puede verse esta característica en el modelo tutorial Viscoelastic Flow Through a Channel with a Flexible Wall. Debe tenerse en cuenta que la interfaz Interacción fluido-sólido, Flujo viscoelástico también requiere una licencia para el módulo Structural Mechanics, MEMS o Multibody Dynamics Module.
Interacción fluido-estructura utilizada para modelar el flujo en un canal elástico.
Flujo en medios porosos
La interfaz de ecuaciones de Brinkman ahora está disponible con el módulo Polymer Flow. También es posible utilizar formulaciones predefinidas para modelos con flujos de medios libres y porosos. La funcionalidad puede usarse para describir el flujo de fluidos a través de filtros, tamices y otros dispositivos que contienen componentes hechos de materiales porosos.
Flujo de dos fases en medios porosos
Una nueva interfaz multifísica combina las interfaces Brinkman Equations y Level Set, y añade automáticamente un nodo de acoplamiento Two-Phase Flow, Level Set. Resuelve la conservación de la masa y el momento con las ecuaciones de Brinkman. La interfaz entre dos fluidos inmiscibles en medios porosos se rastrea con la función de ajuste de nivel.
Inyección de resina en un molde vacío. La nueva interfaz se utiliza para realizar el seguimiendo del frente de inyección. El molde contiene una entrada y tres salidas, y un bloque poroso en el centro, e inicialmente está rellenado con aire.
Deslizamiento poroso para la interfaz de ecuaciones de Brinkman
La capa límite en el flujo en medios porosos puede ser muy delgada y poco práctica de resolver en un modelo de ecuaciones de Brinkman. La nueva función de tratamiento de paredes deslizantes porosas le permite tener en cuenta las paredes sin resolver el perfil de flujo completo en la capa límite. En su lugar, se aplica una condición de tensión en las superficies, lo que produce una precisión decente en el flujo a granel al utilizar una solución asintótica del perfil de velocidad de la capa límite. La funcionalidad se activa en la ventana Configuración de la interfaz de ecuaciones de Brinkman y luego se usa para la condición de pared predeterminada. Puede usar esta nueva característica en la mayoría de los problemas que involucran flujo subterráneo descritos por las ecuaciones de Brinkman y donde el dominio del modelo es grande.
El campo de flujo y concentración de un modelo de reactor poroso.
Gestión muy mejorada de materiales porosos
Los materiales porosos ahora se definen en la tabla Propiedades específicas de fase en el nodo Material poroso. Además, se pueden añadir subnodos para las funcionalidades sólidas y fluídicas donde se pueden definir varios subnodos para cada fase. Esto permite el uso de un mismo material poroso para el flujo de fluidos, el transporte de especies químicas y la transferencia de calor sin tener que duplicar las propiedades y configuraciones del material.
El nuevo nodo Materials para Materiales porosos ejemplificado en un modelo multiescala de un lecho empacado.
Nuevos modelos tutoriales
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Pasta Extrusion |
Viscoelastic Flow Through a Channel with a Flexible Wall |
COMSOL Multiphysics 6.4