在 COMSOL 中模拟黏弹性流体

当提起珠串时，你会想到什么？也许是佛珠和手链。或者，如果你对研究聚合物感兴趣，你可能会想到：当对黏弹性流体施加一定的力时，流体如何开始看起来像绳子上的珠子。今天这篇文章让我们来看一个使用 Oldroyd-B 聚合物的例子。

黏弹性流体

顾名思义，黏弹性流体是具有弹性的流体。当黏弹性流体变形时，一定的力试图使其恢复到未变形的状态。这类流体包括：

• 聚合物熔体
• 油漆
• 蛋白质悬浮液

油漆是一种黏弹性流体。

2020 年，聚合物流动模块随着 COMSOL Multiphysics® 软件 5.6 版本一起发布，包括黏弹性流体模型。我们可以使用这些模型来解释流体的弹性并预测其施加的力、涂层的均匀性和模具填充程度。

聚合物流动模块 中包含以下黏弹性流体模型：

• Oldroyd-B 流体
• Gisekus
• FENE-P
• LPTT

这里，我们将重点介绍 Oldroyd-B 流体的长丝由于表面张力效应而拉伸时的模拟结果。如果你想逐步构建这个模型，请至 COMSOL 官网下载：“ 黏弹性细丝的串珠结构 ”教程模型。

模拟 Oldroyd-B 聚合物中的表面张力效应

我们的示例模型是从建立一条长的、未拉伸的  Oldroyd-B 流体 细丝开始的。细丝被建模为一个初始半径有小幅扰动的液体圆柱体，流动被建模为轴对称。

Oldroyd-B 流体被建模为聚合物在牛顿液体中的稀溶液。聚合物本身由两个物理参数来表征：

1. 黏度
2. 弛豫时间

由于这个问题是无量纲的，为了模拟黏弹性细丝变细时的动力学，我们使用了两个无量纲参数：

1. Deborah 数（无量纲聚合物溶液弛豫时间）
2. Ohnesorge 数（惯性-毛细和黏性-毛细时间尺度之比）

模拟结果

我们可以确定黏弹性丝在不同时间步长的演变，如下图所示，这与文献中现有的实验和模拟结果非常吻合（参见教程模型文档中的参考文献 1）。

长丝在 0、20、30、100 和 300 s (从左到右)时的轮廓。

仿真结果还显示了作为时间函数的最小长丝半径。由此我们可以知道，在长丝迅速形成串珠结构后，有一个缓慢变细的过程。这种变细的速度可以通过表面张力效应和弹性力的平衡来确定。

作为时间的函数的长丝最小半径。

当时间远大于弛豫时间时，黏弹性丝由几乎呈球形的液滴组成，这些液滴由指数级变细的线连接。

我们还可以看到，当黏度特别低或表面张力特别高时，会在串珠结构中形成卫星液滴（需要使用更细的网格运行模型才能看到它们）。

没有卫星液滴(右)和有卫星液滴(左)的黏弹性流体细丝。

自己尝试

文中我们省略了模拟过程直接跳到了结果，您可以在 COMSOL 官网案例库中下载文档和 MPH 文件，详细了解如何构建黏弹性细丝的串珠结构模型。

本文来自：COMSOL博客