非牛頓流體仿真的案例
5-流體的幾組基本概念——壓縮與不可壓縮流、牛頓與非牛頓流、定常與非定常流
認(rèn)識(shí)流體之壓縮與不可壓縮流、牛頓與非牛頓流、定常與非定常流
1、不可壓縮流和可壓縮流
壓縮性是流體的基本屬性。
任何流體都是可以壓縮的，只不過可壓縮的程度不同而已。
液體的壓縮性都很小，隨著壓強(qiáng)和溫度的變化，液體的密度僅有微小的變化，在大多數(shù)情況下，可以忽略壓縮性的影響，認(rèn)為液體的密度是一個(gè)常數(shù)。
氣體的壓縮性都很大。從熱力學(xué)中可知，當(dāng)溫度不變時(shí)，完全氣體的體積與壓強(qiáng)成反比，壓強(qiáng)增加一倍，體積減小為原來的一半；當(dāng)壓強(qiáng)不變時(shí)，溫度升高1℃體積就比0℃時(shí)的體積膨脹1/273。所以，通常把氣體看成是可壓縮流體，即它的密度不能作為常數(shù)，而是隨壓強(qiáng)和溫度的變化而變化的。我們把密度隨溫度和壓強(qiáng)變化的流體稱為可壓縮流體。把液體看作是不可壓縮流體，氣體看作是可壓縮流體，都不是絕對(duì)的。在實(shí)際工程中，要不要考慮流體的壓縮性，要視具體情況而定。
2、牛頓流體與非牛頓流體
考慮流體的剪切應(yīng)力和速度梯度之間的關(guān)系。如果流動(dòng)過程中流體層間所產(chǎn)生的剪應(yīng)力與法向速度梯度成正比，而與壓力無關(guān)，則這種流體為牛頓流體。
非牛頓流體廣是指不滿足牛頓黏性實(shí)驗(yàn)定律的流體，指的是其剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間不是線性關(guān)系的流體，粘性隨著剪切力或者剪切速率而變化而改變。非牛頓流體其實(shí)很常見，絕大多數(shù)生物流體都屬于現(xiàn)在所定義的非牛頓流體。比如人身上血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細(xì)胞質(zhì)那樣的“半流體”都屬于非牛頓流體。
太（白）粉溶液是典型的非牛頓流體，它的主要特征是：流體的粘度會(huì)因?yàn)槭艿降膲毫蛩俣榷兓瑝毫υ酱笏俣仍娇欤扯葧?huì)增加，甚至可以成為暫時(shí)性的固體。一盆太（白）粉的水溶液，如果你將手緩慢的插入水溶液中你的手會(huì)沒入其中，當(dāng)你拿出來時(shí)手上會(huì)沾滿白色的太（白）粉溶液。
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image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學(xué)耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p> </p><p> 非牛頓流體，是指不滿足牛頓黏性實(shí)驗(yàn)定律的流體，即其剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間不是線性關(guān)系的流體。非牛頓流體廣泛存在于生活、生產(chǎn)和大自然之中。絕大多數(shù)生物流體都屬于所定義的非牛頓流體。 </p><p> 高分子聚合物濃溶液和懸浮液等一般為非牛頓流體。聚乙烯、聚丙烯酰胺、<a href="https://baike.baidu.com/item/%E8%81%9A%E6%B0%AF%E4%B9%99%E7%83%AF/1688898" rel="noopener noreferrer" target="_blank">聚氯乙烯</a>、尼龍6、PVS、賽璐珞、滌綸、橡膠溶液、各種工程塑料、化纖的熔體、溶液等，都是非牛頓流體。石油、泥漿、水煤漿、陶瓷漿、紙漿、油漆、油墨、牙膏、家蠶絲再生溶液、鉆井用的洗井液和完井液、磁漿、某些感光材料的涂液、泡沫、液晶、高含沙水流、泥石流、地幔等也都是非牛頓流體。食品工業(yè)中的番茄汁、淀粉液、蛋清、蘋果漿、濃糖水、醬油、果醬、煉乳、瓊脂、土豆?jié){、熔化巧克力、面團(tuán)、米粉團(tuán)、以及魚糜、肉糜等各種糜狀食品物料也都是非牛頓流體。
展開 管道內(nèi)非牛頓流體流動(dòng)
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
算例說明
本案例介紹了管道內(nèi)非牛頓流體流動(dòng)過程。
計(jì)算域：管道長(zhǎng)0.1m，直徑2.5mm
物質(zhì)屬性：密度為1000kg/m3，粘度采用Power law，其中參數(shù)k=0，n=0.4
邊界條件：入口平均速度為2m/s
網(wǎng)格劃分
采用矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為16000
計(jì)算設(shè)置
本次計(jì)算為穩(wěn)態(tài)軸對(duì)稱流動(dòng)。
物質(zhì)屬性
計(jì)算物質(zhì)的密度和粘性
邊界條件
設(shè)置入口流速，流速值有profile文件讀入
profile文件下載地址：https://pan.baidu.com/s/1ibZQTgwKEV-iOhqeMBAfEg 密碼: 88qz
設(shè)置出口為壓力出口邊界條件
壁面皆為無滑移邊界條件
計(jì)算結(jié)果
計(jì)算域速度云圖
計(jì)算域壓力云圖
計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比
管道壓降數(shù)值對(duì)比圖表
參考文獻(xiàn)
W.F. Hughes and J.A. Brighton. Schaum's Outline of Theory and Problems of Fluid Dynamics. McGraw-Hill Book Co., Inc., New York, NY. 1991.
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</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202007/imgs/3e90259f09b04630aef2c20cd6352c3b"></p><p><strong>John Mainstone與瀝青滴漏實(shí)驗(yàn)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(jí)網(wǎng)紅，它很奇特，人可以在上面快速跑動(dòng)，但是靜站在上面就會(huì)陷下去，它的力學(xué)特點(diǎn)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(qiáng)，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(gè)包含非牛頓流體的流體動(dòng)力學(xué)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 
非牛頓流體多相流模擬
如下論文，雙歐拉模型
fluent下使用非牛頓流體（轉(zhuǎn)載）
fluent下使用非牛頓流體
1、非牛頓流體：剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間滿足線性關(guān)系的流體稱為牛頓流體，而把不滿足線性關(guān)系的流體稱為非牛頓流體。
2、fluent中使用非牛頓流體
a、層流狀態(tài)：直接在材料物性下設(shè)置材料的粘度，設(shè)置其為非牛頓流體。
b、湍流狀態(tài)
fluent在設(shè)置湍流模型后，會(huì)自動(dòng)將材料的非牛頓流體性質(zhì)直接改成了牛頓流體，因此需要做一些修改。最基本的方式有兩種：1、打開隱藏的湍流模型下非牛頓流體功能；2，直接利用UDF宏DEFINE_PROPERTY定義
3、打開隱藏的湍流模型下非牛頓流體功能
方法為：
（1） 在湍流模型中選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-e模型；
（2） 在Fluent窗口輸入命令：define/models/viscous/turbulence-expert/turb-non-newtonian 然后回車。
（3） 輸入：y 然后回車。
4、利用DEFINE_PROPERTY宏
A：這是一個(gè)自定義材料的粘度程序如下，也許對(duì)你有幫助。
在記事本中編輯的，另存為“visosity1.c"
#include "udf.h"
DEFINE_PROPERTY(cell_viscosity, cell, thread)
{
real mu_lam;
real trial;
rate=CELL_STRAIN_RATE_MAG(cell, thread);
real temp=C_T(cell, thread);
mu_lam=1.e12;
{
if(rate>1.0e-4 && rate<1.e5)
trial=12830000.
展開 【JY】超詳細(xì)的非牛頓流體模型使用方法
本篇文章將詳細(xì)介紹非牛頓流體函數(shù)的具體使用方法。
常見的非牛頓流體有：冪律、CarreauYasuda 模型、交叉模型、Herschel-Bulkley 模型以及粘度曲線等 5 種模型。
表觀粘度η
非牛頓流體的粘度μ隨剪切速率γ′和剪切應(yīng)力τ而變化，所以用流動(dòng)曲線上某一點(diǎn)的τ與γ′的比值來表示在某一值時(shí)的粘度，這種粘度稱為表觀粘度，用η表示：
τ=ηγ′
η=τ/γ′
下面將介紹各模型的參數(shù)的含義：
① 冪律（Ostwald-De Wale冪律）：
冪律模型適用于廣泛剪切變形速率下的假塑性流體或脹塑性流體。
由于其在公式上的簡(jiǎn)單性，在工程上有較大的實(shí)用價(jià)值。但是由于它是一個(gè)純粹的經(jīng)驗(yàn)方程，所以物理意義不夠明確。
另外，對(duì)于切變率很大或很小的情形，冪指數(shù)定律都不適用。
一致性指數(shù)：k，也稱稠度系數(shù)。k值是粘度的度量，但不等于粘度值，而粘度越高，K值也越高；
冪律指數(shù)：n，為流動(dòng)行為指數(shù)或非牛頓指數(shù)，是與溫度有關(guān)的參數(shù)，n偏離1的程度越大，表明材料非牛頓性越強(qiáng)。；
當(dāng)n>1時(shí)，冪律方程反映剪切變稠的脹塑性流體（如淀粉、蔗糖溶液、涂料等）；
當(dāng)n<1時(shí)，冪律方程反映剪切變稀的假塑性流體（如大多數(shù)聚合物，番茄醬等）；
當(dāng)n=1時(shí)，冪律方程反映牛頓流體k=η0；
最小粘度：流體在冪律模型下適用的最小粘度，n>1時(shí)必須要輸入；
最大粘度：流體在冪律模型下適用的最小粘度，n<1時(shí)必須要輸入。
多數(shù)高分子流體是假塑性流體，可以用冪律方程描述，其流動(dòng)行為指數(shù)n=0.15~0.6。
② Carreau Yasuda模型：
Carreau Yasuda方程既反映高剪切速率下的假塑性，又反映低剪切速率下的牛頓性。能夠描寫比冪律方程范圍更廣的流動(dòng)性質(zhì)。
展開 基于非牛頓流體力學(xué)的酸奶粘度研究
本文通過對(duì)酸奶這種非牛頓流體的粘度研究，分析采集到的數(shù)據(jù)，獲得其流體特性介質(zhì)參數(shù)，根據(jù)該流體特性介質(zhì)參數(shù)優(yōu)化酸奶生產(chǎn)工藝，進(jìn)而提出降低初態(tài)粘度和平穩(wěn)粘度間差異的改進(jìn)方案。
攪拌型酸奶作為一種發(fā)酵乳制品，在完成破乳停止發(fā)酵后，變成一種具有一定粘稠度的液體，其粘度值隨著溫度、時(shí)間和剪切率的改變而改變，這種物質(zhì)在流變學(xué)中被定義為非牛頓流體。
流變學(xué)中指出不滿足牛頓黏性實(shí)驗(yàn)定律的流體，被定義為非牛頓流體，其剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間不是線性關(guān)系。非牛頓流體廣泛存在于生活、生產(chǎn)和大自然中，食品工業(yè)中的酸奶就是一種典型的非牛頓流體。非牛頓流體的粘度，在特定溫度下，除了依賴于剪切速率外，它還依時(shí)間而變化。此時(shí)，粘度不僅是剪切值大小的函數(shù)，而且也是剪切作用時(shí)間長(zhǎng)短的函數(shù)，因此酸奶粘度在特定溫度下是剪切率和時(shí)間兩個(gè)變量的函數(shù)，即：
非牛頓流體的初態(tài)粘度μ、穩(wěn)態(tài)粘度η、粘度損失率λ，以及剪切率γ 存在以下關(guān)系：
其中，Q為流量；D為管道直徑。
通過在線粘度數(shù)據(jù)采集，利用不同剪切率下的初態(tài)粘度曲線、粘度損失率曲線和穩(wěn)態(tài)粘度曲線，來確定上述非牛頓流體的介質(zhì)參數(shù)，并在設(shè)計(jì)改進(jìn)方案時(shí)利用這些介質(zhì)參數(shù)進(jìn)行模擬建模，進(jìn)而確定適合該流體酸奶的最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)，為降低初態(tài)粘度和平穩(wěn)粘度間的差異提供客觀數(shù)據(jù)依據(jù)。
設(shè)備與方法
設(shè)備
采集數(shù)據(jù)的關(guān)鍵是在線取樣設(shè)備和粘度測(cè)量設(shè)備，這里選用Rheomat 180粘度儀來連續(xù)獲得多個(gè)粘度值。
展開 【JY】超詳細(xì)的非牛頓流體模型使用方法
本篇文章將詳細(xì)介紹非牛頓流體函數(shù)的具體使用方法。
常見的非牛頓流體有：冪律、CarreauYasuda 模型、交叉模型、Herschel-Bulkley 模型以及粘度曲線等 5 種模型。
表觀粘度η
非牛頓流體的粘度μ隨剪切速率γ′和剪切應(yīng)力τ而變化，所以用流動(dòng)曲線上某一點(diǎn)的τ與γ′的比值來表示在某一值時(shí)的粘度，這種粘度稱為表觀粘度，用η表示：
τ=ηγ′
η=τ/γ′
下面將介紹各模型的參數(shù)的含義：
① 冪律（Ostwald-De Wale冪律）：
冪律模型適用于廣泛剪切變形速率下的假塑性流體或脹塑性流體。
由于其在公式上的簡(jiǎn)單性，在工程上有較大的實(shí)用價(jià)值。但是由于它是一個(gè)純粹的經(jīng)驗(yàn)方程，所以物理意義不夠明確。
另外，對(duì)于切變率很大或很小的情形，冪指數(shù)定律都不適用。
一致性指數(shù)：k，也稱稠度系數(shù)。k值是粘度的度量，但不等于粘度值，而粘度越高，K值也越高；
冪律指數(shù)：n，為流動(dòng)行為指數(shù)或非牛頓指數(shù)，是與溫度有關(guān)的參數(shù)，n偏離1的程度越大，表明材料非牛頓性越強(qiáng)。；
當(dāng)n>1時(shí)，冪律方程反映剪切變稠的脹塑性流體（如淀粉、蔗糖溶液、涂料等）；
當(dāng)n<1時(shí)，冪律方程反映剪切變稀的假塑性流體（如大多數(shù)聚合物，番茄醬等）；
當(dāng)n=1時(shí)，冪律方程反映牛頓流體k=η0；
最小粘度：流體在冪律模型下適用的最小粘度，n>1時(shí)必須要輸入；
最大粘度：流體在冪律模型下適用的最小粘度，n<1時(shí)必須要輸入。
多數(shù)高分子流體是假塑性流體，可以用冪律方程描述，其流動(dòng)行為指數(shù)n=0.15~0.6。
② Carreau Yasuda模型：
Carreau Yasuda方程既反映高剪切速率下的假塑性，又反映低剪切速率下的牛頓性。能夠描寫比冪律方程范圍更廣的流動(dòng)性質(zhì)。
展開 非牛頓流體管道運(yùn)輸模擬及結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分 ￥10
非牛頓流體的管道運(yùn)輸模擬，可以應(yīng)用于水泥砂漿或者石油運(yùn)輸,同步視頻請(qǐng)搜索
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非牛頓流體動(dòng)網(wǎng)格模擬插芯過程，包括網(wǎng)格文件，fluent設(shè)置文件(.cas)計(jì)算結(jié)果文件(.dat) ￥40
非牛頓流體動(dòng)網(wǎng)格模擬插芯過程，包括網(wǎng)格文件，fluent設(shè)置文件(.cas)計(jì)算結(jié)果文件(.dat)
第四屆全國(guó)過程模擬與仿真大會(huì)召開，積鼎科技相伴大會(huì)4年成長(zhǎng)
第四屆全國(guó)過程模擬與仿真學(xué)術(shù)會(huì)議于2024年11月29日-12月2日在廣州圓滿召開。積鼎科技，作為自主流體仿真軟件研發(fā)的領(lǐng)航企業(yè)，與大會(huì)相伴四年，自首屆以來一直積極參與其中，見證了大會(huì)從初創(chuàng)到逐漸壯大的全過程。每一次參會(huì)，積鼎科技都帶來其在流體仿真CFD領(lǐng)域的最新成果，與業(yè)界同仁共同探討和推動(dòng)計(jì)算機(jī)模擬與仿真技術(shù)的發(fā)展。
本次活動(dòng)，積鼎牽頭組織“工業(yè)應(yīng)用及自主軟件研發(fā)分論壇”，并受邀作“國(guó)產(chǎn)多相流仿真軟件VirtualFlow在過程工業(yè)的應(yīng)用探索”主旨報(bào)告。
積鼎科技專家介紹了其自主研發(fā)的通用型流體仿真軟件VirtualFlow的最新進(jìn)展，并展示在過程工程領(lǐng)域的應(yīng)用能力。“VirtualFlow是積鼎科技的核心產(chǎn)品之一，以其獨(dú)特的浸沒表面技術(shù)（IST）、豐富的多相流模型、湍流模型、復(fù)雜流體模型以及先進(jìn)的相變模型，在能源電力、石油天然氣、過程工程、航空航天、水務(wù)水利等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。其開放的用戶自定義接口（UDF）基于C++語言，支持功能無限擴(kuò)展，同時(shí)支持完整編譯和動(dòng)態(tài)調(diào)用，為用戶提供了極大的靈活性和適用性。”
積鼎科技還分享了公司與中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所的緊密合作，就雙方的前沿技術(shù)研究成果展開介紹。積鼎展示了能量最小多尺度EMMS曳力模型與VirtualFlow軟件的耦合和驗(yàn)證結(jié)果，并計(jì)劃持續(xù)改進(jìn)EMMS曳力模型的用戶體驗(yàn)，提升其在實(shí)際項(xiàng)目中的計(jì)算精度和應(yīng)用效率。同時(shí)，VirtualFlow可適配高性能格子玻爾茲曼多相流仿真軟件LMFD求解器，提供基于LBM方法和GPU加速的氣固兩相流仿真能力。
會(huì)議期間，積鼎展示了在過程工程領(lǐng)域，包括非牛頓流體仿真、顆粒流動(dòng)仿真及化工反應(yīng)釜等應(yīng)用場(chǎng)景。
展開 積鼎科技專訪：深化產(chǎn)學(xué)研合作，拓展流體仿真在過程工程領(lǐng)域應(yīng)用
此外，公司與中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所一直保持緊密的合作，自研產(chǎn)品已經(jīng)和過程工程所的多款產(chǎn)品進(jìn)行耦合，例如，過程所的能量最小多尺度EMMS曳力模型與VirtualFlow軟件的耦合，通過仿真和驗(yàn)證來持續(xù)改進(jìn)EMMS曳力模型的用戶體驗(yàn)，提升軟件在實(shí)際項(xiàng)目中的計(jì)算精度和應(yīng)用效率。EMMS模型過往主要依賴于與國(guó)外商業(yè)軟件的耦合，而此次是與國(guó)產(chǎn)工業(yè)軟件的首次結(jié)合，這一突破構(gòu)建了一個(gè)全面的國(guó)產(chǎn)化優(yōu)勢(shì)體系，為國(guó)內(nèi)的眾多企業(yè)開辟了更豐富的應(yīng)用場(chǎng)景；另外，VirtualFlow可適配高性能格子玻爾茲曼多相流仿真軟件LMFD求解器，可提供基于LBM方法和GPU加速的氣固兩相流仿真能力。
記者：VirtualFlow是積鼎科技的核心產(chǎn)品之一，請(qǐng)介紹軟件在過程工程領(lǐng)域的典型應(yīng)用以及所起到的作用。
傅彥國(guó)：過程工程行業(yè)具有綜合性大、系統(tǒng)性強(qiáng)和復(fù)雜性高等特色，涉及多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域的知識(shí)。CFD仿真的難點(diǎn)則在于處理復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象、精確描述流體特性以及確保數(shù)值穩(wěn)定性和精度。由積鼎自研的CFD軟件VirtualFlow在過程工程領(lǐng)域積累了廣泛的應(yīng)用，包括非牛頓流體仿真、顆粒流動(dòng)仿真及化工反應(yīng)釜等20多個(gè)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。
以Virtualflow軟件與過程工程所EMMS模型耦合為例，使VirtualFlow能夠捕捉介于宏觀和微觀之間的現(xiàn)象，在氣固流化床的仿真應(yīng)用中，能夠更好的捕捉瞬時(shí)顆粒速度和分布。同時(shí)也優(yōu)化了計(jì)算算法，使計(jì)算量降低了100%，計(jì)算效率提高了100%，相比國(guó)外商軟提高了仿真的精度和準(zhǔn)確性。
在吹塑流體分析方面，VirtualFlow也表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)用能力。
展開 利用Sim 3D 2206版本對(duì)赫姆霍茲諧振器進(jìn)行聲學(xué)仿真求解時(shí)，出現(xiàn)“流體邊界條件 Visco-Thermal Treatment(1)部分或完全分布于非流體和非多孔彈性單元”的錯(cuò)誤提示。麻煩問一下
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