锂电池极片涂布工艺模拟：挤压模头内流场
作者：mikoWoo
前面几天，分享了之前总结整理的电化学模拟学习笔记，本篇分享涂布工艺的模拟案例：挤压涂布模头内流场。
挤压涂布工艺过程
狭缝挤压式涂布示意图如上图所示，一定流量的浆料从挤压模头上料口进入模头内部型腔，并形成稳定的压力，浆料最后在模头狭缝出口喷出，涂覆在箔材上，涂层经过烘箱进行干燥。
一般涂布工艺模拟分解成两个步骤：（1）模头内部流场模拟，采用层流模型，稳态求解；（2）模头与箔材之间的流场，采用层流瞬态求解器。多相流方法追踪涂层与空气的界面。
本文介绍模头内流场的建模和求解过程，并展示模拟结果。模拟软件为COMSOL Multiphysics 5.2演示版。建模与求解基本过程如下：
1. 全局定义
1.1. 参数
2. 组件
2.1. 定义
2.2. 几何
2.3. 材料
2.4. 层流
2.5. 网格
3. 研究
3.1. 稳态
3.2. 求解器配置
4. 结果
4.1. 数据集
4.2. 绘图组
下面依次介绍。
1. 全局定义
1.1. 参数
首先，定义了一些参数，所有输入模型的参数都可以先用参数名称定义，并赋值。当然这些参数也可以不用名称定义，在需要输入位置直接填写具体数字。开篇定义的好处就是方便后面自己修改调整模型，而且还可以在求解时使用名称进行参数扫描，同时计算某个参数一系列数值的模拟结果。定义好参数名称，后面可以直接输入参数名称。这里我主要定义了模头的一些几何尺寸。
2. 组件
2.1. 定义
设定坐标系，选择单位。
2.2. 几何
绘制几何模型，分别绘制圆柱入口，圆形料槽和狭缝。然后将图形进行布尔运算合并成一个整体计算域。为了节省计算时间，最后将整个模型截取一般半，中心面设定为对称面。具体的几何尺寸都是通过输入前面的参数名称赋值的，在前面修改数值，几何模型会相应变化。
2.3. 材料
本计算采用层流模型，材料特性参数主要包括密度和粘度，均通过用户自定义输入，没有选择模型中的具体材料。
2.4. 层流
2.4.1 设定流体属性
材料特性全部用户定义输入，测定三元正极浆料密度为2200㎏/m^3，粘度采用非牛顿流体幂律模型，根据测得的流变曲线，用以下公式拟合得到参数C=59和n=0.37。
μ=Cγ^(n-1)
式中，μ为粘度，γ为剪切速率。
2.4.2 设定初始值
假设流场初始状态为流体速度和压力都是0。
2.4.3 设定边界条件
选择入口圆柱下表面作为质量流入口，设定流量，因为此处是一半模型，入口流量设为Q/2（Q在开始已经赋值）。
选择狭缝前端面为压力出口条件，出口压力设为101325Pa（参考一个大气压）。
设定对称面边界条件
其他边界为壁面，设定为无滑移。
2.5. 网格
采用软件物理场控制自动划分网格。
3. 研究
选择层流模型稳态求解器，流场达到稳定状态，速度，粘度，剪切速率等物理量不会随着时间变化。因为网格特别粗化，计算用时40s
4. 结果
4.1. 数据集
对结果进行处理，主要为了显示三维模型结果，选择绘制了模型中的截线和截面。其中，截线为狭缝出口中心线，截面为出口中心线剖面。
另外，为了完整展示整个模头，将计算结果按照对称面做三维镜像。
4.2. 绘图组
绘制云图，线图，展示模拟结果。
整个模头在涂布宽度方向切片显示流体速度大小。
半个模头的切片速度大小
出口中心线上，速度沿涂布宽度方向分布，x=0表示对称面，由于网格粗化，结果不平滑。
狭缝出口中心截面速度分布云图。
出口中心线截面流体运动流线。
压力等值线
截面压力分布云图
截线压力分布线图
模拟软件还可以自动生成报告，包括建模和结果显示，本文图表即自动生成的报告。
该案例意义：针对目前国内市场上常规的挤压式涂布模头进行仿真模拟分析，得出相应的模头出口端的浆料流动速度曲线。然后，针对曲线中出现的较大速度偏移点进行原因分析，通过改变浆料入口速度、模头条缝间隙、垫片出口位的斜口尺寸等来分别进行模拟分析，尝试寻找能够得到均匀性更高的出口浆料速度曲线的参数，以便进一步提高涂层厚度的均匀一致性。
