本算例演示利用Fluent Materials Processing模擬聚合物三維擠壓過程。

注意本算例是Fluent 2021R2的Beta功能。

1 問題描述

計算模型如下圖所示。

這個問題涉及非牛頓流體通過三維模具的流動?？紤]到問題的對稱性，采用四分之一模型進行計算，模型中定義了兩個對稱面。熔體以 Q = 10 cm3 /s的體積流量進入模具，在出口處獲得擠出物。在計算域的末尾，假設(shè)擠出物完全變形并且不會進一步變形。假設(shè)子域 2 足夠長以求解擠出物的所有變形。

在計算域上求解不可壓縮性和動量方程。問題的域分為兩個子域，因此網(wǎng)格重劃分算法只應(yīng)用于將變形的網(wǎng)格部分。子域 1 代表限制流體的模具。子域 2 對應(yīng)于與空氣接觸并可以自由變形的擠出物。計算的主要目的是找到自由表面（擠出物的表皮）的位置。

2 Fluent設(shè)置

• 啟動Fluent 2021R2
• 啟動界面中激活選項Show Beta Workspaces ，選中列表項Materials Processing(Beta) ，點擊按鈕Start 啟動軟件

• 啟動后的工作界面如下圖所示

2.1 導(dǎo)入網(wǎng)格

• 點擊右側(cè)面板中Read下方的Polyflow Mesh…按鈕，在文件打開對話框中選擇網(wǎng)格文件ext3d.msh

注：其實這里使用Fluent Mesh…也是可以的。

”

• 在彈出的對話框中選擇Mesh Length Unit 為cm

2.2 創(chuàng)建流程

• 如下圖所示設(shè)置
• 選擇Type 為Extrusion
• 選擇Goal為Predict extrudate Shape
• 點擊按鈕Create 創(chuàng)建仿真流程

• 創(chuàng)建的流程如下圖所示

2.3 General設(shè)置

• 選中模型樹節(jié)點General ，在右側(cè)面板確認(rèn)計算信息，如下圖所示

2.4 設(shè)置材料參數(shù)

• 點擊模型樹節(jié)點Materials → fluid ，右側(cè)面板進行如下設(shè)置
• 指定參數(shù)View Properties 為Viscosity law
• 指定Shear Rate Dependence為Cross
• 指定Zero Shear Viscosity為85000
• 指定Time Constant為0.2 s
• 指定Cross Law Index為0.3

Cross模型常用于許多聚合物材料特性模擬，其材料特性表現(xiàn)為剪切稀化（粘度隨著剪切速率增加而降低）。該模型表達(dá)式為：

其中，為參數(shù)Zero Shear Viscosity，為Time Constant，為Cross Law Index，為剪切率。

2.5 計算區(qū)域設(shè)置

• 選中模型樹節(jié)點Cell Zones → fluid-zone ，如下圖所示設(shè)置右側(cè)面板
• 指定Zones為subdomain1 與 subdomain2
• 指定Fluid Material為fluid
• 其它參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置

2.6 邊界條件設(shè)置

• 如下圖所示設(shè)置邊界inlet
• 指定Boundary Zone為boundary1
• 指定Flow Specification為Volume flow
• 指定Volume Flow Rate為1e-5
• 其它參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置

• 如下圖所示設(shè)置邊界extrudate-exit
• 指定Boundary Zone為boundary6
• 其它參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置

• 選擇模型樹節(jié)點Fluid Boundary Conditions，點擊右側(cè)面板中的按鈕New…

• 在彈出的面板中進行如下設(shè)置
• 指定Name為symmetry
• 指定Type為Symmetry
• 指定Boundary Zone為boundary3-subdomain1、boundary3-subdomain2、boundary4-subdomain1及boundary4-subdomain2

• 如下圖所示設(shè)置邊界free-surface
• 指定Boundary Zone為 boundary5
• 指定Fixed Part為 boundary2
• 其它參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置

• 如下圖所示設(shè)置邊界wall
• 指定Boundary Zone為boundary2
• 其它參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置

2.7 設(shè)置網(wǎng)格變形

• 選中模型樹節(jié)點Mesh Deformations → extrudate，如下圖所示設(shè)置網(wǎng)格變形
• 設(shè)置Zones為subdomain2
• 設(shè)置Extrudate Deformation Method為Optimesh-3D
• 指定Inlet Section為interface-subdomain2-subdomain1
• 指定Outlet Section為boundary6

網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù)的目的是根據(jù)自由表面運動引起的邊界節(jié)點位移來重新定位內(nèi)部節(jié)點。對于預(yù)計擠出物會發(fā)生大變形的 3D 擠出問題，建議使用 opttimesh 網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù)。opttimesh 重新網(wǎng)格化技術(shù)要求擠壓方向平行于 x、 y或z軸，并且網(wǎng)格重構(gòu)區(qū)域被切割成的所有切片都必須垂直于擠壓軸。

將要重新劃分網(wǎng)格的域沿與擠壓方向垂直的方向切割成一系列二維切片（平面），每個平面獨立進行重新劃分網(wǎng)格。對于這個過程，Polyflow 需要選擇初始平面和最終平面。在本算例中，初始平面是子域 2 與子域 1 的交面，最終平面是子域 2 與流出口（邊界 6）的交面。

2.8 計算求解

• 選中模型樹節(jié)點Run Calculation
• 可以點擊右側(cè)面板中的Check 按鈕檢查參數(shù)設(shè)置是否有問題
• 點擊按鈕Calculate進行計算

3 計算結(jié)果

• 新建Contour，如下圖所示設(shè)置參數(shù)

• 速度分布如下圖所示

• 切片觀察內(nèi)部速度分布，如下圖所示

注：濃濃的Polyflow風(fēng)。看來Fluent想要吃掉Polyflow啊，這是個好事兒。畢竟Polyflow那操作界面，早放棄治療早投胎。