abaqus 模擬流體的案例
Abaqus非牛頓流體模擬方法 ￥169.99
</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202007/imgs/3e90259f09b04630aef2c20cd6352c3b"></p><p><strong>John Mainstone與瀝青滴漏實驗裝置</strong></p><p>非牛頓流體中的脹塑性流體無疑是流體中的世界級網(wǎng)紅，它很奇特，人可以在上面快速跑動，但是靜站在上面就會陷下去，它的力學特點是表觀粘度隨剪切速率的增大而增大，通俗地講就是“你剛（快）我強，你弱（慢）我柔”，可以抵抗沖擊，但是輕撫就稀碎，所以有人建議拿它來做防彈衣。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202007/imgs/865509da4ae8473d82e11380421f2c02"></p><p><strong>脹塑性流體</strong></p><p>如何用Abaqus模擬非牛頓流體？</p><p>Abaqus自6.9版加入了非牛頓流體的模擬功能，用戶可以在Abaqus/CFD模型中執(zhí)行一個包含非牛頓流體的流體動力學分析，也可以在Abaqus/Explicit模型中使用非牛頓流體，比如CEL或SPH分析。</p><p>需要注意的是，在Abaqus/Explicit模型中使用非牛頓流體，剪切粘度的定義必須與狀態(tài)方程（EOS）描述的材料一起使用。
展開 ABAQUS模擬多孔介質(zhì)流體流動之地層排水固結(jié)
ABAQUS有限元軟件 soil模塊可模擬計算多孔介質(zhì)中流體流動這種滲流應(yīng)力耦合問題，其是通過將介質(zhì)視為多相材料并采用有效應(yīng)力原理來描述其力學行為來對多孔介質(zhì)進行建模。提供的多孔介質(zhì)模型考慮介質(zhì)中兩種流體的存在。一種是“潤濕液體”，它被認為是相對（但不是完全）不可壓縮的。另一種是相對可壓縮的氣體。當介質(zhì)部分飽和時，兩種流體都存在于一個點上；當完全飽和時，完全充滿潤濕液體。單元體積由一定體積的固體物質(zhì)、一定量的孔隙和一定體積的潤濕液體構(gòu)成，如果被壓差驅(qū)動則可以自由地通過介質(zhì)。ABAQUS軟件就是通過將有限元網(wǎng)格附著到固相來模擬多孔介質(zhì)，流體可以流過這個網(wǎng)格。其中模型的力學機理是基于有效應(yīng)力原理，不再贅述，其中流體流動默認為為達西滲流。
孔隙流體的滲流行為遵循Darcy定律或Forchheimer定律，Darcy定律一般適用于低滲流流速，是線性關(guān)系而Forchheimer定律是非線性定律，主要模擬更高流動速度的情況，Darcy定律可以認為是Forchheimer定律的特例。Darcy定律用于表述為層流條件下通過多孔介質(zhì)的滲流速度與水力梯度滿足線性關(guān)系，在一維條件下有：
為平均滲流速度，Q為流量，A為過水面積，k為滲透系數(shù)，H為測壓水頭，z是某指定參考面之上的高度。
模擬示例之地層排水固結(jié)
（1）幾何模型：
圖1
（2）模擬材料：
*Material, name=ROCK
*Density
2500,
*Permeability, specific=10000,DEPENDENCIES=1
XXXXXXXXX
*Depvar
3,
*Elastic
2.3e+09, 0.2
*User Defined Field
*Mohr Coulomb
27.,0.
展開 如何正確模擬不同類型的流體流動？
對于經(jīng)常出現(xiàn)在微流體設(shè)備中的完全層流，您可以選擇層流 接口。如果 ，您應(yīng)該選擇蠕動流接口。
許多工業(yè)應(yīng)用具有高流速和高雷諾數(shù)，在這種情況下需要使用湍流接口。閱讀我們之前的文章，可以詳細了解您應(yīng)該選擇哪種湍流模型。
畢竟，CFD 仿真具有一定的困難，因為流動的性質(zhì)仍未完全了解。COMSOL 軟件提供了使用最新數(shù)值技術(shù)模擬所有流態(tài)的接口。COMSOL案例庫中的示例模型可以幫助您了解哪種接口適合您的應(yīng)用。
流體力學數(shù)值模擬
流體力學數(shù)值模擬
流體力學數(shù)值模擬
流體力學數(shù)值模擬
在 COMSOL 中模擬黏彈性流體
或者，如果你對研究聚合物感興趣，你可能會想到：當對黏彈性流體施加一定的力時，流體如何開始看起來像繩子上的珠子。今天這篇文章讓我們來看一個使用 Oldroyd-B 聚合物的例子。
黏彈性流體
顧名思義，黏彈性流體是具有彈性的流體。當黏彈性流體變形時，一定的力試圖使其恢復到未變形的狀態(tài)。這類流體包括：
聚合物熔體
油漆
蛋白質(zhì)懸浮液
油漆是一種黏彈性流體。
2020 年，聚合物流動模塊隨著 COMSOL Multiphysics? 軟件 5.6 版本一起發(fā)布，包括黏彈性流體模型。我們可以使用這些模型來解釋流體的彈性并預測其施加的力、涂層的均勻性和模具填充程度。
聚合物流動模塊中包含以下黏彈性流體模型：
Oldroyd-B 流體
Gisekus
FENE-P
LPTT
這里，我們將重點介紹 Oldroyd-B 流體的長絲由于表面張力效應(yīng)而拉伸時的模擬結(jié)果。如果你想逐步構(gòu)建這個模型，請至 COMSOL 官網(wǎng)下載：“黏彈性細絲的串珠結(jié)構(gòu)”教程模型。
模擬 Oldroyd-B 聚合物中的表面張力效應(yīng)
我們的示例模型是從建立一條長的、未拉伸的 Oldroyd-B 流體細絲開始的。細絲被建模為一個初始半徑有小幅擾動的液體圓柱體，流動被建模為軸對稱。
Oldroyd-B 流體被建模為聚合物在牛頓液體中的稀溶液。
展開 CFA瞬態(tài)模擬實例 — 流體振蕩器
流體振蕩器是一種無需使用任何移動部件即可產(chǎn)生流體脈動或掃掠運動的裝置。振蕩僅基于設(shè)備內(nèi)的內(nèi)部流體動力學。流體振蕩器是堅固且免維護的設(shè)備。它們沒有移動部件，因此是堅固且免維護的設(shè)備。流體振蕩器有很多用途，例如流動分離控制、減阻、流量計設(shè)計和流體混合。它們還用于汽車或卡車的擋風玻璃清潔裝置。最早于 20 世紀 50 年代被發(fā)現(xiàn)。
射流振蕩器產(chǎn)生周期性振蕩射流，無需任何移動部件。 輸出射流的雙穩(wěn)態(tài)可以由流入流的不穩(wěn)定性或反饋通道產(chǎn)生。由于“壁附著”效應(yīng)（也稱為“柯恩達”效應(yīng)），流體從會聚噴嘴流出并附著到腔室的壁側(cè)。水流濺到墻上并填充反饋通道。反饋路徑中的流體擾動射流并迫使其附著到另一面壁上。同樣的事情在另一個分支中重復，導致輸出射流開始掃掠。
一、CAD建模
在網(wǎng)上搜索"Fluid oscillator”關(guān)鍵字可以找到很多現(xiàn)有的流體振蕩器的設(shè)計，以下圖為例，在Creo中建模。
二、模擬設(shè)置
1、模型選擇
在模型菜單中選擇“紊流”和“流線”模型
2、流體域選擇和邊界條件
點擊“創(chuàng)建流體域”旁邊的“選擇模擬域”命令。
選擇“添加流體域”，選擇CAD模型。
使用“添加邊界條件”命令，選擇入口和出口，添加如下邊界條件
入口：流量入口，值為0.1gpm
出口：壓力出口，值為0Pa
3、生成網(wǎng)格
點擊菜單中的“生成網(wǎng)格”命令，使用默認設(shè)置，生成如下網(wǎng)格。
4、材料設(shè)置
點擊菜單欄的“材料”命令，將流體域的材料設(shè)為水。
展開 模擬流體中的粒子運動時，選擇合適的公式以提升計算效率
當大粒子以一定的初始速度射入流體時，會沿著入射軌跡，能夠在曳力使它們減速之前行進相當長的距離。相反，較小的粒子將更快地匹配流體速度。當它們散開時，很可能是由于周圍流體的湍流擴散所致。
數(shù)值粒子追蹤仿真
在上一節(jié)中，很幸運我們由方程4 得到一個精確的解析解。精確解僅可能在引入許多簡化假設(shè)時得到，尤其是各處的流體速度 u 均為零。但在大多數(shù)實際情況中，周圍流體的速度不僅不為零，而且在空間上是不均勻的，因此僅靠公式不可能找到精確解。
對于更一般的問題，我們可以通過數(shù)值仿真來獲得近似解。其主要思想是，在初始時間 t=0 時，給定初始粒子位置 q_0 和速度 v_0，我們可以使用數(shù)值時間長算法來計算一組離散的時步 t_1，t_2，t_3，……的解。為此，設(shè)計了各種各樣不同的時間步長算法，其中有許多是在 COMSOL Multiphysics? 軟件中可用的。
用數(shù)值方法求解一組微分方程會引入一定量的誤差,即實際粒子運動與計算得到的數(shù)值解之間的差異。雖然通常不能指望從數(shù)值仿真中獲得一個完美的解，但更現(xiàn)實的目標是，當時間間隔（t_1，t_2–t_1，t_3–t_2等）減小時，模擬的粒子運動應(yīng)變得更加精確。
需要權(quán)衡的是，如果時間步較小，則需要花更多的時間步才能達到相同的輸出時間。最終，這可能會導致實際運行時間顯著增加，這是仿真完成的時間。進行數(shù)值仿真的工程師必須始終在解精度和執(zhí)行時間之間尋求合理的平衡。
COMSOL Multiphysics?中的粒子追蹤模塊提供了一個流體流動顆粒跟蹤接口，該接口通過數(shù)值求解牛頓第二定律來模擬周圍流體中單個粒子的運動。基本上，此接口可求解方程1，同時允許我們向方程右側(cè)添加各種不同的力。
展開 模擬多孔介質(zhì)中不同的流體流動
在微觀尺度上模擬多孔介質(zhì)中的流動
為了更深入地理解流經(jīng)多孔材料中的流動特征，有必要仔細研究它的微觀結(jié)構(gòu)。這樣我們不僅能更深入的理解多孔材料，也有信心使用宏觀方法來模擬多孔材料中的流動。
下面的動畫顯示了一個大小為 2 cm × 2 cm × 6 cm 的復雜多孔結(jié)構(gòu)，以及使用線性納維-斯托克斯方程計算的流型。
小型多孔塊中的流型。
這些多孔塊中包含低流速和高流速的區(qū)域，也包含根本不發(fā)生流動的區(qū)域。即使結(jié)構(gòu)是不規(guī)則的，當放大另一個位置的相同多孔結(jié)構(gòu)樣品時，其流動特性也是相同的。因此，這被稱為 代表性單元體積（REV）。對代表性單元體積進行平均可以得到宏觀方程，詳見下一節(jié)內(nèi)容。
為了表征流動并獲得有關(guān)宏觀方程的信息，下面幾個數(shù)值很重要：
孔隙率 ，描述了孔隙體積與總體積的比率，可以從幾何形狀計算
沿流動方向（縱向）下降的壓力 ，可以計算或預定義
表觀速度 ，或通過結(jié)構(gòu)的體積流量 (m3/s)，除以總橫截面積 (m2 )
宏觀尺度的流動
達西定律是描述多孔材料流動的基本定律，它最初只是一個經(jīng)驗定律，后來在理論上由納維-斯托克斯方程推導出來。它描述了速度場 (m/s)與壓力梯度 （Pa）之間的線性關(guān)系。
(1)
其中，(m2) 是多孔介質(zhì)的滲透率， (Pa·s) 是流體的動力黏度。
在規(guī)則結(jié)構(gòu)中，如填充床或粒狀土壤，滲透性可以由 Kozeny-Carman 關(guān)系推導：
(2)
其中， (m) 表示有效粒徑（對于球形顆粒，等于球體直徑）。
線性達西定律適用于低速流動。與自由流動一樣，多孔介質(zhì)中的雷諾數(shù)
(3)
也用于表征流動， (m) 是特征長度尺度。
線性達西定律適用于 ，因此孔隙尺度流動可以被描述為蠕變流，其中慣性力與黏性力相比非常小。
展開 《流體力學數(shù)值模擬》
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非牛頓流體多相流模擬
如下論文，雙歐拉模型
【CAE案例】流體振蕩器流場模擬
研究背景
流體振蕩器是沒有活動部件的設(shè)備，根據(jù)流動入口的雷諾數(shù)及其幾何形狀的不同，能夠在出口處產(chǎn)生均勻且可預測的頻率脈動氣流。流體振蕩器的應(yīng)用范圍主要包括燃燒控制、改進翼型中的流動分離或減少阻力。
圖1：流體振蕩器工作示意圖
流體振蕩器一直是許多實驗和數(shù)值研究的主題，流體振蕩器的CFD數(shù)值模擬大多基于雷諾平均方程（Reynolds-averaged Navier-Stokes equations，RANS）。
本案例使用了流體有限元仿真軟件進行高分辨率數(shù)值模擬，為了能夠更好地捕捉到振蕩器內(nèi)部的流場細節(jié)，采用了大渦模擬（Large eddy simulation，LES）的方法，以便更好地了解振蕩器的流體動力學行為，模擬結(jié)果可用作基準測試參考。
模型建立
本案例中，振蕩器的幾何模型如下圖所示。
圖2：振蕩器幾何示意圖
由于康達效應(yīng)（Coanda Effect），噴嘴產(chǎn)生的射流傾向于附著在壁的兩側(cè)之一。
例如，假設(shè)在特定時刻射流附著在底壁上，大部分射流將通過底部出口離開振蕩器。
展開 網(wǎng)格劃分與流體力學數(shù)值模擬
不大可能有定量關(guān)系，不然還要數(shù)值計算干什么，呵呵。
不過一些特定情形下是可以有個大概的量級概念的，比如壁面處的邊界層的劃分。
對于一般湍流邊界層而言，壁面邊界層的厚度約1cm左右的量級，而其中又可分成層流底層、過渡層以及慣性層等，它們大概占整個邊界層的一定比例，因此大小量級也有，依據(jù)這樣劃分網(wǎng)格可以把壁面附近的流動比較好地刻畫，而不關(guān)心這里流動的就可以用壁面函數(shù)法，依據(jù)采用的不同的壁面函數(shù)，又可對近壁面處劃分不同的網(wǎng)格。
又比如，在非近壁面處，一般是有源的地方網(wǎng)格密一些，因為那塊梯度大，但是定量的比較困難。
還比如，DNS中的網(wǎng)格最小尺寸與湍流脈動的最小渦有關(guān)，這又與Re數(shù)大小有關(guān)，這可以有個定量的量級估計，但是確切應(yīng)該多大，還是沒有定論。
在實際應(yīng)用中，網(wǎng)格的劃分通常就是按照以上一些基本的原則進行，然后，如果要得到一個與網(wǎng)格無關(guān)的計算結(jié)果，往往要加密網(wǎng)格，在不同的網(wǎng)格上試驗，得到與網(wǎng)格無關(guān)的結(jié)果才行。這就是有些英文文獻里說的網(wǎng)格無關(guān)性檢驗。于一般湍流邊界層而言，壁面邊界層的厚度約1cm左右的量級，而其中又可分成層流底層、過渡層以及慣性層等，它們大概占整個邊界層的一定比例，因此大小量級也有，依據(jù)這樣劃分網(wǎng)格可以把壁面附近的流動比較好地刻畫，而不關(guān)心這里流動的就可以用壁面函數(shù)法，依據(jù)采用的不同的壁面函數(shù)，又可對近壁面處劃分不同的網(wǎng)格。
又比如，在非近壁面處，一般是有源的地方網(wǎng)格密一些，因為那塊梯度大，但是定量的比較困難。
還比如，DNS中的網(wǎng)格最小尺寸與湍流脈動的最小渦有關(guān)，這又與Re數(shù)大小有關(guān)，這可以有個定量的量級估計，但是確切應(yīng)該多大，還是沒有定論。
在實際應(yīng)用中，網(wǎng)格的劃分通常就是按照以上一些基本的原則進行，然后，如果要得到一個與網(wǎng)格無關(guān)的計算結(jié)果，往往要加密網(wǎng)格，在不同的網(wǎng)格上試驗，得到與網(wǎng)格無關(guān)的結(jié)果才行。這就是有些英文文獻里說的網(wǎng)格無關(guān)性檢驗。
展開 DualSPHysics模擬流體及物體漂浮
DualSPHysics是一款開源的SPH代碼，算是國際上發(fā)展比較早的開源SPH代碼。功能也比較強大，計算得到的散點模型可以通過界面捕捉算法獲得真實的效果圖。下圖是將計算結(jié)果的每一幀輸出，并采用Blender進行了簡單的渲染的效果，通過Python將每一幀合稱為gif圖片。
圖片合稱為gif的代碼如下：
# 將一個文件夾下的所有滿足條件的圖片文件制作成為gif格式文件
# lizhiyong4216@163.com
import imageio
import osimport numpy as np
def CreateGIF(filefolder, gifname):
frames = []
# 將每一張圖片文件后綴為.png的文件路徑加入到frames中
for root, dirs, files in os.walk(filefolder):
for file in files:
if os.path.splitext(file)[1] == '.png':
frames.append(imageio.imread(os.path.join(root, file)))
# frames轉(zhuǎn)換為imageio使用的numpy中的矩陣格式
frames2 = np.asarray(frames)
# 制作并保存為gif格式
imageio.mimsave(gifname, frames2, 'GIF', duration = 0.1) return
def main():
filefolder = "C:\\tmp"
gifname = filefolder + '\\float.gif'
CreateGIF(filefolder
展開 利用lammps模擬LJ流體在微通道中為二維流動
2.1.問題描述
本次研究擬采用LJ體系模擬二維Couette flow，Couette flow（庫愛特流）指的是粘性流體在相對運動著的兩平行平板之間的層流流動。這個流動是由作用在流體上的粘性力和與平板平行的外部壓力推動的。本次研究通過固定底端，移動頂端來制造Couette flow。
2.2.模型描述
具體模型如圖2.1所示。本次模擬采用LJ約化單位，初始晶體模型為六方最密堆積結(jié)構(gòu)，晶格參數(shù)為0.7，沿x（100）方向為20倍晶格長度，y方向（010）為20倍晶格長度。此次模型為2維模型，x為流動方向，因此設(shè)置為周期性邊界。y方向采用收縮邊界，以模擬平板移動。采用OVTIO進行模型可視化處理。在模擬流動前先設(shè)置流動區(qū)域和平板區(qū)域。具體方式為采用velocity和fix setforce命令固定底端和頂端1倍晶格長度的區(qū)域作為平板。對中間的流體區(qū)域采用速度標定法進行控溫。在進行流動模擬時，為頂端的固定區(qū)域設(shè)置沿x方向的初速度為5.0，其他方向速度為0。底端繼續(xù)保持固定。流動模擬一共運行100000步。
圖2.1：模型示意圖
2.3結(jié)果整理與分析
圖2.2展示了在初始1000步，50000步和100000步時流體原子沿著y方向的x方向速度（vx）的分布情況。從圖中可以看出有平板與流體之間粘性力帶起的流體運動存在著明顯的滯后現(xiàn)象。這樣的滯后體現(xiàn)在空間和時間尺度上。在空間尺度表現(xiàn)為從固定端到移動端存在著明顯的速度梯度。從時間尺度上表現(xiàn)為流體的速度隨著時間逐漸增加。同時還利用OVITO分析了沿y軸不同位置原子的移動軌跡，如圖2.3所示。這里也可以清楚的看的靠近頂端移動平板的原子在相同時間內(nèi)有著更長的移動距離。
展開 