Fluent案例｜聚合物挤出模拟

注意本算例是Fluent 2021R2的Beta功能。

这个问题涉及非牛顿流体通过三维模具的流动。考虑到问题的对称性，采用四分之一模型进行计算，模型中定义了两个对称面。熔体以 Q = 10 cm3 /s的体积流量进入模具，在出口处获得挤出物。在计算域的末尾，假设挤出物完全变形并且不会进一步变形。假设子域 2 足够长以求解挤出物的所有变形。

在计算域上求解不可压缩性和动量方程。问题的域分为两个子域，因此网格重划分算法只应用于将变形的网格部分。子域 1 代表限制流体的模具。子域 2 对应于与空气接触并可以自由变形的挤出物。计算的主要目的是找到自由表面（挤出物的表皮）的位置。

• 启动界面中激活选项Show Beta Workspaces ，选中列表项Materials Processing(Beta) ，点击按钮Start 启动软件

• 启动后的工作界面如下图所示

• 点击右侧面板中Read下方的Polyflow Mesh…按钮，在文件打开对话框中选择网格文件ext3d.msh

• 在弹出的对话框中选择Mesh Length Unit 为cm

• 如下图所示设置

1. 选择Type 为Extrusion

2. 选择Goal为Predict extrudate Shape

3. 点击按钮Create 创建仿真流程

• 创建的流程如下图所示

• 选中模型树节点General ，在右侧面板确认计算信息，如下图所示

• 点击模型树节点Materials → fluid ，右侧面板进行如下设置

1. 指定参数View Properties 为Viscosity law

2. 指定Shear Rate Dependence为Cross

3. 指定Zero Shear Viscosity为85000

4. 指定Time Constant为0.2 s

5. 指定Cross Law Index为0.3

Cross模型常用于许多聚合物材料特性模拟，其材料特性表现为剪切稀化（粘度随着剪切速率增加而降低）。该模型表达式为：

其中，为参数Zero Shear Viscosity，为Time Constant，为Cross Law Index，为剪切率。

• 选中模型树节点Cell Zones → fluid-zone ，如下图所示设置右侧面板

• 指定Zones为subdomain1 与 subdomain2

• 指定Fluid Material为fluid

• 其它参数保持默认设置

• 如下图所示设置边界inlet

1. 指定Boundary Zone为boundary1

2. 指定Flow Specification为Volume flow

3. 指定Volume Flow Rate为1e-5

4. 其它参数保持默认设置

• 如下图所示设置边界extrudate-exit

1. 指定Boundary Zone为boundary6

2. 其它参数保持默认设置

• 选择模型树节点Fluid Boundary Conditions，点击右侧面板中的按钮New…

• 在弹出的面板中进行如下设置

• 指定Name为symmetry

• 指定Type为Symmetry

• 指定Boundary Zone为boundary3-subdomain1、boundary3-subdomain2、boundary4-subdomain1及boundary4-subdomain2

• 如下图所示设置边界free-surface

1. 指定Boundary Zone为 boundary5

2. 指定Fixed Part为 boundary2

3. 其它参数保持默认设置

• 如下图所示设置边界wall

1. 指定Boundary Zone为boundary2

2. 其它参数保持默认设置

• 选中模型树节点Mesh Deformations → extrudate，如下图所示设置网格变形

1. 设置Zones为subdomain2

2. 设置Extrudate Deformation Method为Optimesh-3D

3. 指定Inlet Section为interface-subdomain2-subdomain1

4. 指定Outlet Section为boundary6

网格重构技术的目的是根据自由表面运动引起的边界节点位移来重新定位内部节点。对于预计挤出物会发生大变形的 3D 挤出问题，建议使用 opttimesh 网格重构技术。opttimesh 重新网格化技术要求挤压方向平行于 x、 y或z轴，并且网格重构区域被切割成的所有切片都必须垂直于挤压轴。

将要重新划分网格的域沿与挤压方向垂直的方向切割成一系列二维切片（平面），每个平面独立进行重新划分网格。对于这个过程，Polyflow 需要选择初始平面和最终平面。在本算例中，初始平面是子域 2 与子域 1 的交面，最终平面是子域 2 与流出口（边界 6）的交面。

• 选中模型树节点Run Calculation

• 可以点击右侧面板中的Check 按钮检查参数设置是否有问题

• 点击按钮Calculate进行计算

• 速度分布如下图所示

• 切片观察内部速度分布，如下图所示