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
| 边界名 | 边界类型 |
|---|---|
| die symmetry plane | Symmetry Plane |
| inlet | Mass Flow Inlet |
| extrusion symmetry | Symmetry Plane |
| free surface | Free Stream |
| outflow | Free Stream |
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
提取码：8dob
