设置粘性流体流

用于设置不同本构模型的粘性流模拟的工作流程是相似的。要为具有高粘度或可变粘度（具体取决于剪切速率）的非牛顿流体建模而不产生任何弹性效应，选择广义牛顿模型。如果流体呈现与时间相关的剪切稀化行为，则选择触变性模型。如果流体呈现法向应力或内存效应，则使用粘弹性模型。流体中的高剪切速率会导致温度上升 — 粘性加热。考虑到此效应，Simcenter STAR-CCM+ 提供 Viscous Energy Model(粘性能量模型)。

有限元离散对适用于粘性流模型的网格具有特定要求。生成棱柱层以及四面体网格、拉伸网格或定向网格。还可以使用导入的六面体网格。粘性流模型与多面体网格或切割体网格不兼容。

如果要使用新网格替换现有网格，Simcenter STAR-CCM+ 会将现有网格上提供的任何节点数据自动插值到新网格节点。有关替换网格操作的详细信息，请参见替换网格区域。

要设置广义牛顿或粘弹性流体流：
  1. 创建适用于有限元离散的体网格。请参见网格要求和准则。
    如果要为共拉伸部分建模，并由此使一个流体区域与另一个流体区域接触，则在这些流体区域之间的交界面处使用共形网格。
  2. 在模拟中为每个非牛顿流体材料创建物理连续体。
  3. 对于每个非牛顿流体的物理连续体，在连续体 > [物理连续体] > 模型下，按顺序选择以下模型：
    组合框 模型
    时间 稳态或非稳态

    要对 Weissenberg 数 > 1 且使用扩展 Pom-Pom 模型的情形建模，选择非稳态。
    材料 液体
    流体 粘性流

    层流（自动选择）

    恒密度（自动选择）
    流变学 选择以下某项：
    可选模型 选择以下某项：
    • 要对如粘性加热等温度效应建模，选择粘性能量。
    • 要对非牛顿流体的拉伸或任何自由表面流建模，选择自由表面。
    • 要对域的局部填充建模（如用于喷射造型），选择局部填充。局部填充仅适用于非稳态模拟。
    • 要对流体中的表面张力建模以获得自由表面流或局部填充，可使用表面张力模型。
    • 要对边界处的流体滑移建模，使用局部滑移模型。
    • 要对悬浮在粘性流体中的短纤维流属性建模，使用短纤维方向模型。
    • 要模拟粘性流体中短纤维悬浮液的双向耦合流变，使用纤维-流体相互作用模型。此模型与粘弹性模型不兼容。
    • 要对被动标量分量建模，使用被动标量模型。
    • 要对实验流变数据进行曲线拟合以指定数值流变模型参数，选择材料校准。
    • 要根据 CFL 数自动设置时间步，可在非稳态模拟中，选择自适应时间步。请参见自适应时间步模型。
    • 对固化对所模拟流体的流变属性的影响建模，选择化学流变学。（仅与广义牛顿流变模型兼容。）
  4. 这些液体不可压缩。根据为了指定流变模型参数而建模的流体类型，执行以下某项操作：
    流体模型类型 步骤
    广义牛顿 编辑模型 > 液体 > [材料] > 材料属性节点，然后设置动力粘度属性。
    粘弹性
    1. 选择模型 > 粘弹性节点，然后设置模态数。可以指定 1 到 8 个模态。粘弹性模型的行为是这些模式行为的总和。可以为每个模式选择不同的粘弹性材料模型。有关详细信息，请参见粘弹性属性。
    2. 对于高度纠缠的聚合物熔体的快速流动，激活粘弹性模型的平方根共形属性。此设置可将粘性流求解器切换到平方根共形公式，并适应此类模拟中可见的高 Weissenberg 数。请参见平方根共形属性。
    3. 编辑模型 > 液体 > [材料] > 材料属性节点，然后设置
    触变性
    1. 定义结构变量 λ：
      1. 选择模型 > 液体 > [材料] > 材料属性 > 结构变量，然后将方法设为以下两者之一：
        • 通用动力学 - 如果流体在流停止时返回到原始状态。
        • 不可逆结构分解 - 如果流体结构在流停止后仍部分或完全处于新状态。
      2. 选择相应子节点，并指定模型参数。
      请参见结构变量。
    2. 要考虑粘度的时间相关效应，定义触变性因子：
      1. 选择模型 > 液体 > [材料] > 材料属性 > 触变性因子，然后将方法设为幂律。
      2. 选择触变性因子 > 幂律节点，然后指定幂律模型指数。
      请参见触变性因子。

    或者，要通过曲线拟合从实验流变数据中获得流变模型参数，使用材料校准模型并按校准非牛顿模型参数中的额外步骤操作。如果要模拟固化，还可使用材料校准模型来拟合化学流变学材料属性。

  5. 要模拟动力粘度的温度依赖性，选择液体 > [材料] > 材料属性 > 水平温度转换因子和垂直温度转换因子，然后为其设置温度转换因子，或接受默认值。在 aT=bT=1 的特殊情况下，流体粘度与温度无关。请参见使用温度转换因子
  6. 要模拟自由表面流，执行设置拉伸和自由表面流中所述的额外步骤。
  7. 设置边界条件。
    如果有多个流体，则使用模中的不混溶壁面分离这些流体。
    因为粘性流模拟使用有限元离散，所以网格节点有时会同时位于两个边界上。如果边界指定不同的边界条件值，Simcenter STAR-CCM+ 将使用两者的平均值。此平均法是默认过程。如果要使一个边界条件优先于另一个边界条件，则将滑移条件应用于影响较小的边界，并且将其滑移系数设为阶次 10^6 至 10^8 之间的值，具体取决于聚合物粘度。
    如果存在滑移壁面边界条件，任何压力出口边界均须垂直于滑移壁面。如果两者无法垂直，则使用其他边界条件，例如自由流出口。
  8. 设置求解器参数。
    对于基于时间的情形（其中，粘性流体流入以填充区域），建议将库朗数设为 0.1 到 1 之间的值。

    对于 Weissenberg 数 > 1 的高度非线性情形，将粘性流求解器的 # 次迭代后松弛属性增加到默认值 10 以上。

    对于使用隐式非稳态模型的快速求解，选择求解器 > 隐式非稳态节点，然后将时间离散设为二阶。二阶离散化通过增大时间步加快非稳态求解速度，结果更加准确。但是，很难稳定并且需要更加注意网格质量。当消除了所有强初始瞬态时，如果必要可从较低阶格式开始，然后切换至高精度格式。如果选择多相或局部填充模型，二阶离散化不可用。

  9. 要模拟区域（如转子）中的恒定运动的影响而不实际移动网格节点，将移动参考坐标系应用于区域。
    请参见“用户自定义旋转和平移参考坐标系”和“参考坐标系”。粘性流不支持 DFBI 运动或网格运动的参考坐标系。
  10. 运行模拟并分析结果。
    在场景或报告中使用场函数时，确保使用平滑值，以便可视化节点值。
  11. 如果要分析流体施加在壁面边界上的流体动力，可以执行以下操作：