基于OpenFOAM的粘弹性流体注塑成型嵌件流动的模拟研究开题报告

 2020-02-20 09:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

粘弹性流体是指介于粘性流体和弹性固体之间的流体,它能同时表现出粘性和弹性,在不超过屈服强度的条件下,剪应力去除后,其变形能部分的复原[1]。严格意义上说,粘弹性流体并不多见,比如沥青、油漆、高分子聚合物溶液以及凝固汽油等等。但随着石油化工工业和聚合物工程的迅速发展,处理和操作粘弹性流体渐渐变得十分关键,因而深入研究粘弹性流体的流动行为具有重要的工程应用价值。在粘弹性流体的剪切流动时,不仅粘度函数与剪切持续时间有关,还存在法向应力差。粘弹性流体在流动的过程中,大多数情况下都会流经由不相同的管道连接而成的流道。在一些特定的模具成型中,流道内还包含一些形状各不相同的嵌件。这些嵌件会使得粘弹性流体的流动行为产生明显的变化,从而导致流体的流动特性变得更加得复杂。因此,研究粘弹性流体流动成为了一个比较重要的热点话题。

就目前国内的研究现状而言,赵志峰等[2]人选取了基于doi-edwards模型发展起来的xpp模型进行了全域的数值模拟,并得到了支化聚合物在嵌件平板收缩流中的粘弹性行为,如流函数等值线、拉伸量、第一法向应力差以及第二法向应力差等,此后分析比较了方型嵌件处于不同位置时粘弹性流体的流动特性。周王军等[3]人应用boltzmann方法结合oldrody-b模型,讨论了不可压缩的navier-stokes方程和平流扩散本构方程的解耦及各自求解方法,以及两类问题的边界格式处理,实现了粘弹性流体在二维1:3扩展流道以及3:1收缩流道中的流动的数值模拟,获得了雷诺数和维森伯格数以及粘度下流动的流线分布及其影响。国外也有各位学者正在研究粘弹性流体流动的特性。j.l.favero等[4]人提出了一种基于分裂应力张量法和平衡应力张量概念的数值方法,用任意微分本构方程处理高威森堡数的问题,该方法是在一种新的计算流体动力学(cfd)工具中实现的,并对平面4:1收缩流进行了分析,评估了该方法的稳定性和有效性。

本次设计也是利用cfd工具对流体的流动进行分析。相较于传统的实验研究,cfd将数学、流体力学、计算机编程进行柔和,采用计算机求解控制流体流动的微分方程组,其结果用来指导工业设计。目前大量的行业已经开始使用cfd理论来指导实践,如空气动力学外形优化、气动噪声控制、多项流动混合模拟,化工过程装备设计、大气环境预测等。openfoam为世界最大的免费的cfd开源软件,是一个c 类库(约100个),其用于创建可执行文件,如应用程序。openfoam内置的应用程序(约250个)分为两类:求解器(solver)与工具(utilities)。其中求解器是为了解决特定的连续介质力学问题而设计的;工具则是为了执行数据操作等任务而设计的。openfoam的一个特点是用户可以通过一些必要的知识(数学、物理和编程技术等)创建新的求解器和工具[5]。针对粘弹性流体在注塑成型(四分之一收缩流)的嵌件内的流动,我们利用openfoam这个cfd中应用最广的开源软件,对流动进行了模拟仿真,得到其在嵌件内的流场特性,分析粘弹性流体的流动特点,分析比较在流经不同形状的嵌件时,粘弹性流体流动过程中所表现出的不同。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1研究(设计)的基本内容

针对粘弹性流体流经注塑成型(四分之一收缩流)的嵌件发生的流动特性的变化现象,基于既有的研究成果,得到粘弹性流体的流体特性,建立两种不同(包括方形嵌件和圆形嵌件)注塑成型(四分之一收缩流)嵌件模型,确定其初始条件和边界条件,选取正确的物理模型,借助openfoam软件求解该数值模型,完成方形和圆形嵌件流动状态的仿真,基于仿真得到的仿真结果,分析其流场特性,比较两种不同嵌件的流场特性的区别。

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3. 研究计划与安排

时间

所需完成的任务

第1-3周

英文翻译,完成开题报告和文献综述

第4-6周

粘弹性流体注塑成型(四分之一收缩流)嵌件流动调研和分析

第7-10周

粘弹性流体(四分之一收缩流)非等温流动特征得分析,完成圆形和方形嵌件流动状态仿真的计算与分析

第11-12周

撰写毕业设计论文

第13周

论文初稿交指导老师审阅,修改定稿

第14周

论文交评阅教师审阅

第15周

论文整理并答辩


4. 参考文献(12篇以上)

[1]https://baike.baidu.com/item/粘弹性流体/1188548?fr=aladdin

[2] 赵智峰,欧阳洁,张玲,刘德峰.嵌件平板收缩流支化聚合物黏弹行为的数值模拟[j].化工学报.2018.4-59.

[3] 周王军,李勇,何录武.黏弹性流体扩展及收缩流动的格子boltzmann模拟分析[j].力学季刊,2018,39(02):395-404.

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