申请/专利权人：东北大学

申请日：2023-12-07

公开（公告）日：2024-07-05

公开（公告）号：CN117875140B

主分类号：G06F30/25

分类号：G06F30/25;G06F30/28;G16C60/00;G06F111/10;G06F113/08;G06F113/10;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.07.05#授权;2024.04.30#实质审查的生效;2024.04.12#公开

摘要：本发明提供复杂流体‑细长柔性颗粒相互作用特性的数值模拟方法，本发明基于熔融沉积成型过程中细长柔性颗粒的运动过程，使用非牛顿Carreau模型表征熔融状态热塑性材料的流变性质，可以很好的描述熔融原材料的粘度随剪切速率的变化情况，使用重叠网格技术实现细长柔性颗粒在流体中的大幅度运动，充分考虑了非牛顿流体与细长柔性颗粒之间的相互作用，能够预测细长柔性颗粒的变形、位置和姿态，并准确计算颗粒的阻力系数、升力系数和力矩系数。为熔融沉积成型设备的改进和优化设计提供了有效解决途径，具有重要的理论意义和实用价值。

主权项：1.复杂流体-细长柔性颗粒相互作用特性的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：利用建模软件绘制细长柔性颗粒和流体域模型，使用网格划分工具对流体域和颗粒周围划分网格；由于使用重叠网格技术，将流体域单独划分结构化六面体网格，再将细长柔性颗粒周围局部区域划分结构化六面体网格，再将两套网格合并在一起；网格之间会有重叠部分，经过预处理过程之后，颗粒内部的网格会被挖掉并排除在计算之外，并在剩余的网格重叠区域内建立插值关系，最终通过插值方法使两套网格之间能够在重叠区域进行数据交换，以达到流场域的整体计算；步骤2：利用OpenFoam软件对绘制的网格建立基本物理模型：基本控制方程，包括连续性方程、动量方程、流体本构方程和重叠网格控制方程；熔融状态热塑性材料为不可压缩层流流动，考虑流体和柔性颗粒之间的相互作用，其基本控制方程如下：1流体控制方程流体相满足质量守恒和动量守恒方程： 其中：u为流体速度，ms；ρ为流体密度，kgm3；p为压力，pa；f为流体-颗粒相互作用引起的源项；τ为粘性应力，pa，由公式3计算：τ＝2μD3其中：μ为流体的表观粘度，pa·s，由非牛顿流体的本构方程计算；D为应变率张量，由公式4计算： 2非牛顿流体的本构方程使用Carreau模型来表征熔融状态热塑性材料的流变性质，描述熔融原材料的粘度随剪切速率的变化情况，其本构方程为： 其中：μ0为流体零剪切速率下的粘度，pa·s；μ∞为无限剪切速率下的粘度，pa·s；λ为非牛顿流体的松弛时间，s；n为幂律指数；定义表征Carreau流体剪切变稀程度的无量纲数：Carreau数：粘度比：其中：d为细长颗粒的特征长度，m；3重叠网格控制方程重叠网格技术允许多个相互独立的网格之间产生无约束的相对位移，并且利用插值方法使得网格之间的流场信息能够进行交换；利用重叠网格这种特性，实现物体无约束的六自由度运动，以及多级物体的运动；重叠网格技术的关键在于建立域连接信息，用于网格间计算信息传递，其处理步骤为：步骤1：搜索洞单元，找出不参与计算的节点单元；步骤2：为边缘节点从重叠区域的另外一套网格中寻找合适的插值贡献节点；步骤3：根据边缘节点和插值贡献节点的位置关系，求解插值系数；步骤4：优化重叠区域，减少计算量；通过对所有贡献单元的流场值和对应插值系数或称为权重系数进行加权求和，最终完成插值： 其中：φ为任意流场的信息，如速度或压力；ωi为第i个贡献单元的插值系数；φi为第i个贡献单元的流场信息值；φI为插值边界单元的值；此外所有的插值系数均需要无因次化，并满足以下条件： 在完成流场中所有插值边界单元的插值以后，将公式8的值更新整个计算流场中去，通过修改方程离散后的线性代数方程组矩阵来实现；在将控制方程离散之后，得到以下的线性代数方程组：[A]·x＝b10其中：[A]为矩阵系数；x为未知量；b为右端源项；步骤3：定义非牛顿流体和细长柔性颗粒的物性参数和初始条件，所属的物性参数包括：流体密度、粘度、颗粒纵横比和颗粒刚度，初始条件包括：液体流速；步骤4：定义计算域进出口的边界条件；步骤5：对步骤2的方程进行离散化，并采用步骤3和步骤4中定义的初始条件和边界条件进行封闭和求解；步骤6：对整个计算域进行初始化，设定时间步长和模拟结束时长，对计算域内代数方程组进行反复迭代，求解计算域内的压力和速度分布；计算非牛顿流体中不同刚度细长柔性颗粒的变形、位置和姿态，以及细长颗粒的阻力系数、升力系数和力矩系数，直到模拟时间结束，完成熔融沉积成型过程细长柔性颗粒运动特性的数值模拟，并利用时间步长机制保存计算数据；步骤7：对计算结果进行后处理。

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