CoSim-FVM 之非牛顿流

1.背景

非牛顿流体的流变行为受剪切作用状态显著调控，只有外部应力超过临界阈值后才会发生流动，其动力学特性与空气、水等牛顿流体的有着显著差异。这类粘塑性材料广泛分布于工程与自然场景，如泥浆、水泥砂浆、膏体浆料、钻井流体等，实现该类流体的高精度数值复现是有限体积框架下多相流模拟的重要研究内容。CoSim‑FVM现拥有Herschel‑Bulkley‑Papanastasiou（HBP）本构模型，通过设置屈服应力、稠度系数、幂律指数等参数，统一刻画剪切变稀、剪切增稠以及带屈服特性的非牛顿流体的流变响应。此外，CoSim-FVDEM模块，通过将FVM与DEM耦合，发挥其强大的气-液-固三相耦合能力。

2. FVM非牛顿流算法应用

本部分以水泥砂柱塌落的运动过程为例，进行了计算分析。

塌落初期，在重力作用下，砂柱底部区域率先向四周扩展，局部剪切速率显著升高，导致该区域流体粘度降低。相比之下，顶部区域运动速度较小，剪切速率偏低，因而初始粘度较高，表现出明显的空间非均匀性。随着塌落过程的持续发展，速度场逐渐趋于均匀，各区域间的剪切速率差异减小，流体粘度也趋于一致。该过程体现了速度场与粘度场双向耦合演化特征。

3. FVDEM非牛顿流算法应用

沾浆是在工业模具铸造领域普遍存在。本部分模拟了模具从浆液中抬升的沾浆过程。

在沾浆初期，浆液在粘滞力作用下附着于模具表面并随之上升，逐步形成初始液膜。随着抬升过程的持续，液膜在重力作用下开始沿模具表面向下回流，并逐渐发生局部脱落。该阶段液膜的保持与脱落受粘性力与重力的相对强弱共同控制，是影响最终沾浆分布的关键环节。