STAR CCM 案例｜粘弹性流体挤出

本算例演示利用STAR CCM 仿真计算熔融橡胶通过模具挤出的过程。

许多工业过程都会涉及到粘性材料的挤压。如在汽车工业中，橡胶密封件是通过模具挤出熔融橡胶而形成的。通过这样的模拟，可以预测橡胶被挤出离开模具时的膨胀情况。

本教程将比较模拟为简单粘性流体和粘弹性流体的挤出结果。首先使用更简单的广义牛顿模型来确定模拟给出了合理的结果。然后转向更复杂、计算成本更高的粘弹性模型，以获得更高的精度。

注：本算例为STAR CCM 随机案例。

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1 问题描述

计算模型如下图所示。

粘弹性流体介质从die入口进入计算区域，在extrusion区域中会发生膨胀。入口质量流量0.05 kg/s，指定extrusion区域的几个侧边边界类型为free stream。底部壁面为对称面。

2 STAR CCM 设置

• 启动STAR CCM ，并新建Simulation

2.1 导入几何

• 利用菜单File > Import > Import Surface Mesh导入几何模型RubberSealGeometry.x_b

几何模型如下图所示。

图形显示熔化的橡胶穿过模具。短的区域为模具die，较长的区域为拉伸区域extrusion。挤出的自由表面设置为模具横截面最大尺寸的十倍，以促进快速收敛。如果自由面太短，则解有可能会收敛，但挤出轮廓无法形成充分发展的流动。

2.2 构建Region

• 同时选中节点die及extrusion，点击鼠标右键并选择弹出菜单项Assign Parts to Regions… 将部件分配到区域

• 如下图所示选择所有零部件并设置边界分配参数，点击Apply完成操作

• 按下表所示修改边界类型

修改完毕后的模型树节点如下图所示。

将free surface及outflow边界设置为free stream类型可以允许边界产生变形，以模拟挤出膨胀。

2.3 生成体网格

• 鼠标右键选择模型树节点Geometry > Operations，点击弹出菜单项New → Mesh → Directed Mesh

• 弹出的对话框中选择部件die

• 右键选择节点Directed Mesh，点击弹出菜单项Edit… 打开设置面板

• 网格设置面板中选中节点Source Surfaces，选择源面为inlet

• 选择Target Surfaces为die interface

• 右键选择节点Source Meshes，点击弹出菜单项New Source Mesh → Automated Source Mesh

• 选择使用Triangular Mesher

• 设置Base Size为3 mm

• 右键选择模型树节点Auto Mesh，点击弹出菜单项Update… 生成源面网格

• 右键选择节点Mesh Distributions，点击菜单项New Volume Distribution

• 选择连接部件为die

• 指定拉伸层数为10

• 右键选择节点Directed Mesh，点击菜单项Execute生成体网格

生成网格如下图所示。

• 点击Close Directed Mesh关闭网格生成面板

下面为extrusion部件创建网格。可以利用已有网格进行拉伸。

• 右键选择节点Operations，点击菜单项New → Mesh → Directed Mesh添加网格生成

• 选择部件为extrusion

• 右键点击节点Directed Mesh 2，选择弹出菜单项Edit… 进入网格设置面板

• 如下图所示设置源面为extrusion interface

• 设置目标面为outflow

• 右键选择节点Source Mesher，点击弹出菜单项New Source Mesh → Use Existing Mesh

• 选择部件为extrusion

• 添加体网格分布

• 选择部件为extrusion

• 设置拉伸层数为25

• 设置Stretching Function的Stretching Method为One Side Hyperbolic

• 指定Stretch Value为2.2

• 右键选择模型树节点D为rected Mesh 2,点击弹出菜单项Execute生成计算网格

• 点击Close Directed Mesh关闭网格生成面板

最终的计算网格如下图所示。

2.4 选择物理模型

• 右键选择模型树节点Physics 1，点击弹出菜单项Select Models… 打开模型选择对话框

• 选择以下物理模型
• Liquid
• Viscous Flow
• Generalized Newtonian
• Steady
• Free Surface

选择完毕后如下图所示。

注：选择Free Surface模型会将网格变形添加到模拟中。添加此模型后流体会在挤出离开模具时产生膨胀。这里可以使用Bspline morpher方法移动挤出物的网格。

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• 选择模型树节点Tools > Motions > Morphing，设置Morpher Method为BSpline

2.5 设置材料属性

• 修改节点Physics 1 > Models > Liquid > H2O名称为Liquid Rubber
• 双击模型树节点Liquid Rubber > Material Properties，指定材料参数
• 设置密度为1500 kg/m3，设置粘度为2500 Pa-s

2.6 设置自由面模型

• 选中模型树节点Models > Free Surface，如下图所示设置参数
• 指定Extrusion Direction为X
• 指定Kinematic Condition为Line
• 激活选项Restrain Y

Kinematic Condition默认设置为Line，其要求边界上的速度矢量与网格边和拉伸方向平行。限制较少的Surface条件仅要求速度向量平行于网格面。这一要求给自由表面留下了一个旋转自由度，该自由度由最小能量原理唯一确定。

必须激活Restrain Y，因为不存在与Y正交的对称平面。此设置要求速度的Y分量积分为0。

2.7 设置边界条件

• 双击模型树节点Regions > die > Boundaries > die wall，如下图所示指定参数
• 指定Shear Stress Specification为Slip
• 指定Slip Coefficient为1E7 kg/m^2-s

• 选择模型树节点inlet > Physics Values > Mass Flow Rate，设置质量流量为0.05 kg/s
• 双击模型树节点Regions > extrusion > Boundaries > free surface，弹出对话框中指定Morpher Specification为Displacement

• 双击模型树节点Regions > extrusion > Boundaries > outflow，弹出对话框中进行如下设置
• 指定Morpher Constraint Specification为Boundary Plane
• 指定Morpher Specification为Constraint
• 指定Traction为Aligned Exit

在free surface边界处将Morpher方法设定为Internal将触发该边界上的自由曲面计算。

在outflow边界上将Morpher method设定为Constraint，此时边界可以自由移动，而无需激活自由曲面跟踪。

将Traction方法设置为Aligned Exit将法线方向相切的速度设置为0，但会使对齐的零部件保持自由。

2.8 创建Scene

• 创建Vector Scene，选择所有表面
• 创建Scalar Scene，选择所有表面，变量选择Shear Rate

2.9 进行计算

• 点击菜单项Solution → Run进行计算

2.10 计算结果

• 速度矢量

• 剪切率分布

3 粘弹性计算

• 右键选择模型树节点Physics 1，点击弹出菜单项Select Models… 打开模型选择对话框

• 取消选择Generalized Newtonian，选择Viscoelastic

选择完毕后的模型对话框如下图所示。

• 鼠标双击模型树节点Liquid > Liquid Rubber > Material Properties,弹出对话框中进行如下设置
• 设置Viscoelastic model 1的方法为GiesekusLeonov
• 指定Viscosity为25000 Pa-s
• 指定Lambda为0.1 s
• 指定Alpha为0.2

注：Giesekus-Leonov模型的具体形式可参阅STAR CCM 文档第7732页。粘弹性流体要比非牛顿流体处理起来复杂得多，其本构关系采用微分方程进行描述，需要采用有限元或有限差分法进行离散求解才能得到粘度。

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• 依次点击Solution菜单项下的子菜单项Clear Solution…、Initialize Solution及Run进行计算

• 粘弹性流体计算的速度矢量

• 剪切率分布

相关下载文件：

链接：https://pan.baidu.com/s/1YRVIWImgDMF8TQwBaQZGQw
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