STAR CCM 案例｜液膜铸造

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了使用STAR CCM计算聚合物熔体液膜铸造过程的案例演示。液膜铸造是生产薄聚合物薄膜的常用方法，薄膜通常用于食品和纺织包装、弹力包装或塑料袋等应用场景。STAR-CCM提供的液膜铸造模型和自由表面模型可对该过程进行模拟，并研究各种参数对生成的薄膜的影响。液膜铸造过程中，聚合物熔体穿过扁平狭缝模拉伸到冷却辊上，并在辊子上快速冷却。冷却辊的速度高于模具出口处的熔体速度，此速度比称为拉伸比，导致聚合物在拉伸流中被拉伸和定向。材料介质属性和液膜铸造工艺条件对液膜形成有显著影响。液膜铸造工艺取决于影响液膜形成的多个参数，包括初始膜宽度、模具出口处的液膜厚度、液膜长度、拉伸比等。

案例演示利用STAR CCM 计算聚合物熔体液膜铸造过程。

1 问题描述

在工业中，液膜铸造是生产薄聚合物薄膜的常用方法。薄膜通常用于食品和纺织包装、弹力包装或塑料袋等应用场景。STAR-CCM  提供的液膜铸造模型和自由表面模型可对该过程进行模拟，并研究各种参数对生成的薄膜的影响。

在液膜铸造过程中，聚合物熔体穿过扁平狭缝模拉伸到冷却辊上，并在辊子上快速冷却。冷却辊的速度高于模具出口处的熔体速度。此速度比称为拉伸比，导致聚合物在拉伸流中被拉伸和定向。材料介质属性和液膜铸造工艺条件对液膜形成有显著影响。

该图显示聚合物膜如何在由于质量守恒而退模后在宽度（缩口）和厚度方面减小。液膜铸造工艺取决于影响液膜形成的多个参数，包括：

• 初始膜宽度：0.2 m
• 模具出口处的液膜厚度：0.46 mm
• 液膜长度 - 模具出口和液膜与冷却辊之间接触点之间的距离：0.23 m
• 拉伸比 - 定义为冷却辊上的液膜速度与模具出口处的速度之比：

本教程演示如何在 STAR-CCM  中对聚合物熔体的液膜铸造拉伸建模。您创建的几何体和网格仅对液膜自身进行建模。模具和冷却辊不计入几何，但其影响作为边界条件应用。计算网格为二维，并描述膜的宽度和长度。网格的最初形状是矩形，宽度为初始膜宽度。沿拉伸方向的膜宽度变化由自由表面模型计算得出。在稳态模拟过程中，网格根据预测的膜宽度使用变形器进行变形。液膜厚度不由网格解析，但通过液膜铸造模型作为标量计算，您可以分析其在二维网格上的分布状况。由于工艺配置基于中心线对称，因此只需对几何体的一半建模。

2 几何建模

• 启动STAR CCM  2021.2并新建Simulation
• 鼠标右键点击模型树节点Geometry > 3D-CAD Models，选择弹出菜单项New进入3D-CAD模式
• 鼠标右键选择模型树节点XY，点击弹出菜单项Create Sketch创建草图

• 创建如下图所示尺寸的草图

• 右键选择节点Sketch 1，点击菜单项Extrude

• 采用默认参数进行拉伸

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3 创建参数

• 右键选择模型树节点Tools > Parameters，点击弹出菜单项New → Vector创建新的节点，修改节点名称为Die Exit Velocity

• 定义向量的值为[0.0043, 0, 0] ，指定其量纲为Length/Time

• 创建另一个Scalar参数，命名为 Die Exit Film Thickness，按下图所示进行参数指定

• 创建一个无量纲scalar参数，命名为Draw Ratio，按下图所示进行参数指定

4 创建初始薄膜网格

• 鼠标右键选择模型树节点Geometry > 3D-CAD Models > 3D-CAD Model 1，点击弹出菜单项New Geometry Part，弹出对话框中采用默认参数，将几何转化为零部件
• 右键选择模型树节点Parts > Body 1 > Surfaces > Default，点击弹出菜单项Split by Angle… 分割几何面

• 右键选择模型树节点Operations，点击弹出菜单项New → Mesh → Badge for 2D Meshing

• 弹出的对话框中选择Body 1部件，并激活选项Execute Operation Upon Creation，点击OK按钮关闭对话框

• 右键选择模型树节点Parts > Body 1，点击弹出菜单项Assign Parts to Regions…

• 弹出对话框中采用下图所示设置，依次点击Apply及Close按钮确认并关闭对话框

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

• 弹出对话框中选择几何部件Body 1，点击OK按钮关闭对话框

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

• 在网格设置面板中，指定Source Surfaces为Body 1.Default 4

• 指定Target Surfaces为Body 1.Default 3

• 右键点击节点Source Meshes，选择菜单项New Source Mesh → Patch Mesh

• 弹出对话框中选择Body 1，点击OK按钮关闭对话框

• 在设置面板中点击按钮Auto-populate feature edges with patch curves

• 设置Mode为Patch Mesh，如下图所示指定两个长边，设置Number of Divisions为100，点击Apply按钮确认

• 相同方式指定短边网格数量为60

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

• 弹出对话框中选择Body 1，点击OK按钮关闭对话框

• 右键选择模型树节点Directed Mesh，点击菜单项Execute生成计算网格

计算网格如下图所示。

5 选择物理模型

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

• 选择以下物理模型
• Two Dimensional
• Steady
• Liquid
• Viscous Flow
• Viscoelastic
• Film Casting
• Viscous Energy
• Viscous Radiation Model

模型选择完毕后如下图所示。

• 选中模型树节点Models > Free Surface，设置Extrusion Direction为X

• 选中模型树节点Tools > Motions > Morphing，指定Morpher Method为BSpline

6 指定材料参数

• 修改节点Physics 1 > Models > Liquid > H2O名称为Polymer
• 进入节点Polymer > Material Properties，按下表参数进行设置

7 设置液膜边界条件

薄膜从模具出口以0.0043 m/s的速度进入计算域。初始时刻薄膜厚度为0.46 mm，温度为400 K。薄膜通过受约束的自由流边界被拉出区域，牵引速度为：

由于假定薄膜是对称的，因此案例中只模拟了一半宽度。在中心线位置应用滑动壁面边界条件；薄膜的侧面为自由表面。自由表面的形状由自由流位移边界建模，该边界根据计算的膜宽度移动。

• Regions > Film > Boundaries >  Body 1.Default，修改其名称为Film Inflow，并指定其类型为Velocity Inlet
• 鼠标双击节点Film Inflow，如下图所示设置边界参数

• 修改边界Body 1.Default 2名称为Centerline

• 修改边界Body 1.Default 5名称为Film Free Surface，并修改其类型为Free Steam
• 选中模型树节点Film Free Surface > Physics Conditions > Morpher Specification，设置Specification为Displacement

• 修改边界Body 1.Default 6名称为Chill Roll，并修改其类型为Free Steam
• 鼠标双击模型树节点Chill Roll，弹出参数设置对话框，如下图所示设置参数

8 指定液膜换热

• 鼠标双击模型树节点Regions > Film，设置以下参数

9 绘制液膜宽度与厚度曲线

1、绘制液膜宽度

• 右键选择模型树节点Plot，点击弹出菜单项New Plot > XY Plot，修改新创建的节点名为Film Width
• 选中节点Film Width，指定Parts为Film Free Surface

• 设置X轴
• 选择节点Film Width > X Type，指定Data Type为Scalar
• 选择节点X Type > Scalar Function，指定Field Function为Position > Laboratory > X
• 设置Y轴
• 选择节点Film Width > Y Types > Y Type 1，激活选项Smooth Value
• 选择节点Y Type 1 > Scalar Function，指定Field Function为Position > Laboratory > Y

2、绘制液膜厚度

• 右键选择模型树节点Plot，点击弹出菜单项New Plot > XY Plot，修改新创建的节点名为Film Thickness

• 选中节点Film Thickness，指定Parts为Chill Roll

• 设置X轴

• 选择节点Film Thickness > X Type，指定Data Type为Scalar
• 选择节点X Type > Scalar Function，指定Field Function为Position > Laboratory > Y

• 设置Y轴

• 选择节点Film Thickness > Y Types > Y Type 1，激活选项Smooth Value
• 选择节点Y Type 1 > Scalar Function，指定Field Function为Film Thickness

10 设置停止标准

• 右键选择模型树节点Stopping Criteria，点击菜单项New Monitor Criterion…

• 弹出对话框中选择ExtraStress1，点击OK按钮关闭对话框

• 如下图所示将Film Thickness、Momentum、Temperature添加到Monitor中

• 如下图所示设置终止标准为Relative Change

• 如下图所示设置Relative Change为1e-8

• 选中节点Material Relaxation，属性窗口中取消激活选项Enable，如下图所示

11 进行计算

• 点击菜单Solution → Run开始计算

12 计算结果

• 液膜宽度变化

• 液膜厚度变化

• 厚度分布

• 温度分布

• 速度矢量图

注：本算例取自STAR CCM 随机算例。

文章来源：CFD之道