粘弹性粘弹塑性复合体的数值模拟研究

科学讲座3（2022）100041粘弹性粘弹塑性复合体的数值模拟&在高度非线性状态下的波动J. 埃斯特班·洛佩斯-阿吉拉尔Facultad de Química，Departamento de Ingeniería Química，Universidad Nacional Autónoma de México（UNAM），Ciudad Universitaria，Coyoacán，CDMX 04510，MexicoA R T I C L E I N F O A B S T R A C T关键词：计算流变学复杂流体非牛顿流体力学粘弹塑性剪切带蠕虫状胶束高Weissenberg数问题（HWNP）是数值方案在对复杂流动的解进行近似时可以解决的非线性程度所带来的上限，是计算流变学社区的主要挑战之一（Walters &Webster，2003）。传统上，对非牛顿流体力学这方面的研究一直集中在提高分辨率和计算捕获复杂湍流中非线性现象的能力上（Walters &Webster，2003年）。 在这次演讲中，提出了一个建议，以增加临界Weissenberg数Wi临界数值方案可以达到，通过普遍适用的ABS-f和VGR修正先前报道（López-Aguilar等人，2015），以及它们用于预测复杂湍流中的一些实验和数值签名。 ABS-f校正作用于应力不变量，该应力不变量用于促进粘弹性流体的传统微分型本构方程中的非线性特征，有助于复杂变形中的问题正则化和物理一致性材料性质计算（López-Aguilar等人，2015年）。 VGR校正处理适当的速度梯度估计，用于在边界域上离散地施加质量守恒，并一致地指定边界对称线处的速度梯度分量（López-Aguilar等人，2015年）。在这里，使用先进的混合有限单元/体积算法对浓缩蠕虫状胶束溶液的基准圆形4：1：4收缩-膨胀曲线进行的预测证明在其Wi跨度上显著扩展，其中Wi临界调整被报告为来自未校正变体的三个数量级，并且在某些情况下没有限制（López-Aguilar等人，2015）;（López-Aguilar等人，2016年a）。最后，这些计算工具的使用通过预测博格涡旋的关键实验特征在各种收缩-膨胀湍流设置中得到了体现（López-AguilarTamaddon-Jahromi，2020; Webster等人，&2019年），THIXO-粘弹塑性在尖角几何形状（洛佩斯-阿吉拉尔等人，2018）和高度浓缩的蠕虫状胶束溶液的收缩-膨胀流动中的剪切带（López-Aguilar等人，2017年a）。本文的视频可以在j.sctalk.2022.100041上找到。https://doi.org/10.1016/通讯作者。电子邮件地址：jelopezaguilar@unam.mh tt p：//dx. 多岛或g/10。1016/j。我的天啊。20 22. 1 0 0 04 1接收于2022年5月26日;接受于2022年6月5日27 7 2 - 56 93/©2022TheA ut h or r. 由E lsevier L td提供。 这是一个操作过程，需要遵循C CBY指令（http：//c re ati ve c mmo ns. 或g/li ce nss/by/4. 0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表科学讲座杂志首页：www.elsevier.es/sctalkJ.E. 洛佩斯阿吉拉尔科学讲座3（2022）1000412图和表图1.一、无膨胀剪切和拉伸粘度与变形速率的关系;符号：E X ponential Escherich-Thien-Tanner（EPTT）模型，线：ModifiedBautista-Manero（MBM）模型;溶剂分数β = 1/9下的浓溶液;强硬化SH特征。对EPTT和MBM模型提供的流特性进行了说明，即剪切变稀和应变硬化和软化。图取自[8]。图二、剪切力中的第一法向应力差N 1剪切力对剪切速率;符号：EPTT模型，线：MBM模型;溶剂级分下的浓缩溶液β= 1/9和强硬化SH特征。MBMN1剪切平台在中等剪切速率;相反，EPTT单调上升与剪切速率的上升。图取自[8]。J.E. 洛佩斯阿吉拉尔科学讲座3（2022）100041图3.第三章。实验结果表明，该模型具有较好的稳定性和较好的热稳定性，能较好地描述流体的流动特性，包括：EPD随Weissenberg数Wi的变化规律、4：1：4的轴对称圆角收缩膨胀流动、MBM和NM_τp模型、溶剂分数β = 1/9时的浓溶液和中等硬化的MH特征。MBM EPD不一致的预测与通过NM_τp模型变量校正的预测进行对比图取自[9]。图四、无膨胀剪切粘度和拉伸粘度随变形速率的变化关系;符号：EPTT模型;虚线：MBM、NM_τp、NM_T模型;实线：Oldroyd-B模型;溶剂分数β = 1/9时的浓溶液和SH特征。胶束模型在剪切粘度和拉伸粘度方面表现出相似的趋势 图取自[9]。图五、 剪切N1剪切对剪切速率的无量纲第一法向应力差;符号：EPTT模型，虚线：MBM、NM_τp、NM_T模型，实线：Oldrophil-B模型;溶剂分数β = 1/9和SH特征下的浓溶液。NM_T模型预测在中等剪切速率下N1剪切力最大，然后随着剪切速率的增加粘弹性急剧下降和减弱图取自[9]。J.E. 洛佩斯阿吉拉尔科学讲座3（2022）1000414图六、 EPD对Weissenberg数We的影响; 4：1：4纵横比的轴对称圆角收缩膨胀流; EPTT，MBM，NM_τp，NM_T模型;溶剂分数β = 1/9时的浓溶液和MH特征。图取自[9]。图7.第一次会议。本文给出了四种典型的轴对称圆角收缩膨胀流，EPTT，MBM，NM_τp和NM_T模型，溶剂分数β = 1/9和MH特征下的浓溶液。在这里，胶束模型不一致的流动性预测的证据。图取自[9]。J.E. 洛佩斯阿吉拉尔科学讲座3（2022）1000415布雷尔图8.第八条。实验结果表明，在W_e = 4.9时，溶液的流动性为零，轴对称圆角收缩-膨胀流动为4：1：4，NM_τp和NM_τp_ABS模型，溶剂分数β = 1/9时的浓溶液和MH特征。ABS-f校正在复杂的湍流中提供物理上一致的材料性质预测，这里在湍流域中具有正的湍流度。图取自[2]。图9.第九条。第二本征值s2（We = 4.9），轴对称圆角收缩膨胀流（纵横比为4：1：4），NM_τp和NM_τp_ABS模型，溶剂分数β = 1/9下的浓溶液和MH特征。 ABS-f修正也有助于通过构象张量的正定性增强来正则化问题。图取自[2]。图10个。沿中心线的非均匀剪切速率εuz，纵横比为4：1：4的轴对称圆角收缩-膨胀流动，NM_τp_ABS模型，溶剂分数β = 1/9的浓溶液和MH特征。图取自[2]。J.E. 洛佩斯阿吉拉尔科学讲座3（2022）1000416F IG。 11. D im ens io nl esssu re-d r opa ga nstDe;a xi sy m etr icr o nd-c or nerc on t ac ti on-ex pan s onw4：1：4a p ec ti o;0. 0.25wt%聚苯乙烯/低聚物-聚苯乙烯溶液。图取自[10]。图12个。EPD对De;尖角轴对称8：1：8收缩-膨胀湍流;0.1重量%PAA/CS的博格溶液。实验结果表明，EPD超过了等当量牛顿流体EPD的500-图取自[11]。图13岁无耗散拉伸粘度对拉伸速率的关系; Oldrophil-B、FENE-CR和swanINNFM-Q（swIM）模型;溶剂分数β = 0.9、拉伸参数L = 5和耗散拉伸粘度时标λD={0.2，0.4，1.0}下的稀溶液。swIM模型通过λD控制拉伸粘度响应。图取自[12]。J.E. 洛佩斯阿吉拉尔科学讲座3（2022）1000417图十四岁剪切速率下的第一法向应力差N 1剪切; Oldrophil-B和swIM模型; β = 0.9、L = 5和λD={0.2，0.4，1.0}。swIM模型保留了剪切中的FENE-CR粘弹性响应图取自[12]。图十五岁 EPD对De;圆角轴对称4：1：4收缩-膨胀曲线;符号：用0.025重量%聚苯乙烯/低聚聚苯乙烯溶液的实验;线：在β = 0.9，L = 5，λD= 0.18下的swIM模型预测。实验EPD定量匹配的第一个证据是与swIM模型。图取自[12]。图十六岁 EPD对De;圆角轴对称4：1：4收缩-膨胀曲线;符号：用0.025重量%聚苯乙烯/低聚聚苯乙烯溶液的实验;线：在β = 0.9，L = 5，λD= 0.14下的swIM模型预测。swIM模型能够预测RothsteinMcKinley[10]实验报告的稳定、振荡和不稳定湍流阶段&。图取自[12]。J.E. 洛佩斯阿吉拉尔科学讲座3（2022）1000418图十七岁β = 0.9，L = 5，λ D = 0.14条件下的流线对De;圆角轴对称4：1：4收缩-膨胀湍流;swIM模型。涡旋演化与De显示出复杂的演变，从对称的凸角涡和增长到弹性角涡。图取自[12]。图十八岁在β=0.9，L=5，λD=1.5的情况下，通过De收缩的瞬态压降;圆角轴对称4：1：4收缩-膨胀流动;swIM模型0.14. Rothstein McKinley [10]的实验报告提供了通过相对大的Deborah数的压力的Escherow不稳定性的证据& 图取自[12]。J.E. 洛佩斯阿吉拉尔科学讲座3（2022）1000419图十九岁无展弦流线对湍流率;尖角轴对称8：1收缩流线;swIM模型在β = 0.9，L = 5，λD= 0.075。在低流速下，涡从凸角涡的临界状态演化到弹性角涡的临界状态，并伴随着临界唇涡的共存状态。 图取自[13]。图20. 锐角收缩-膨胀几何网格，纵横比为10：1：10;中等精细度。图取自[14]。J.E. 洛佩斯阿吉拉尔科学讲座3（2022）10004110图21岁 EPD对De;尖角轴对称10：1：10收缩-膨胀曲线;符号：改编自[ 11 ]的0.1 wt%PAA/CS溶液的实验数据;线：β = 0.9，L = 5，λD={0.0，0.2，0.4}下的swIM模型预测。由De-ranges和λD-值给出的子集显示出不同的相位匹配实验。图取自[14]。图22岁流线对De的影响;尖角轴对称10：1：10收缩-膨胀湍流;在β = 0.9，L = 5条件下的swIM模型预测;观察到三个涡相：a）低De和λD= 0.0，具有轻微不对称的凸角涡;b）中等De和λD~ 0.3，具有上游唇涡形成; c）高De和λD~ 0.4，具有强烈不对称的弹性角涡。图取自[14]。J.E. 洛佩斯阿吉拉尔科学讲座3（2022）10004111图23岁无剪切N1剪切对剪切速率;符号：改编自[ 11 ]的0.1重量%PAA/CS溶液的实验测量值; Oldrophil-B，β = 0.9，L = 5和几个swAM模型参数下的单模swIM和swAM（连续光谱swanINNFM（q）+）模型。图取自[15]。图24岁无膨胀系数ηExt对拉伸速率的影响; Oldrophil-B、β = 0.9、L = 5和多个swAM模型参数下的单模swIM和swAM模型。图取自[15]。J.E. 洛佩斯阿吉拉尔科学讲座3（2022）10004112图二十五EPD对De;尖角轴对称10：1：10收缩-膨胀曲线;符号：改编自[11]的0.1 wt%PAA/CS溶液的实验;线：在β = 0.9，L = 5，λD={0.0，0.2，0.4}，m 1= 0，m 2=0下，swIM和swAM模型的数值预测。swIM和swAM模型能够定量地匹配这些大的EPD实验数据图取自[15]。J.E. 洛佩斯阿吉拉尔科学讲座3（2022）10004113图26岁在β = 0.9，L = 5，λD={0.0，0.1，0.3，0.39，0.22}，De ={0.35，3.47，4.24，6.3，17.4}的情况下，对De的第一法向应力N1场和流线进行了分析。在凹进区中，涡与N1之间存在密切的相关性图取自[14]。J.E. 洛佩斯阿吉拉尔科学讲座3（2022）10004114图27岁。无阻尼N 1剪切对剪切速率; β = 0.9，L = 10，J = 1和m 1={−0.25，−0.1，0.1}下的Oldrophil-B、swIM和swAM模型。与swIM模型相反，swAM变体控制拉伸和剪切响应。图取自[5]。图28岁无膨胀压降对流速;实验来自[16];尖角平面4：1收缩流速; β = 0.9下的牛顿、swIM和swAM模型，L= 10，λD= 0.4。 相位I：Q/Q 0≤ 7且m 1= −10 −2; II：7 ≤ Q/Q 0≤ 7.5且m 1= −10 −1; III：7.5 ≤ Q/Q 0≤ 8且m 1= −0.15;IV：8 ≤ Q/Q 0≤ 8.5且m 1=−0.2;V：8.5 ≤ Q/Q 0≤ 9且m 1= −0.25;VI：9 ≤ Q/Q 0≤ 10且m 1= −0.25。图取自[5]。J.E. 洛佩斯阿吉拉尔科学讲座3（2022）10004115图第二十九章。 在β = 0.9，L = 10，J= 1，λD= 0.2和m 1= 1.0的条件下，压力对低速、尖角平面4：1收缩湍流、swAM模型的时间收敛性。-0.25 压力振荡的证据是在高流速下提供的，其中弹性角涡占主导地位的运动学。图取自[5]。图30. 在β = 0.9，L = 10，J = 1，λD= 0.2和m 1 = 0.5的条件下，速度对低速率的时间收敛;尖角平面4：1收缩湍流; swAM模型。-0.25 图取自[5]。图31岁应力随时间的收敛性对低速率;尖角平面4：1收缩低速率;swAM模型，β = 0.9，L = 10，J = 1，λD= 0.2和m 1= −0.25。图取自[5]。J.E. 洛佩斯阿吉拉尔科学讲座3（2022）10004116图32岁流线对湍流速率;尖角平面4：1收缩湍流;swAM模型，β = 0.9，L = 10，J = 1，λD= 0.2，m 1= −0.25。涡相表现为：（i）稳定的（Q ≤ 12-稳定），有凸角涡和唇涡的形成;（ii）过渡的（Q = 13），有泡状流结构; 图取自[5]。图三十三N1剪切对剪切速率的无扰动; swIM和Oldrophil-B模型，β ={1/9，0.5，0.8，0.9}，L = 5和λD={0.0，0.075};符号：Boger等人的实验数据。[17 ]第10段。图取自[4]。J.E. 洛佩斯阿吉拉尔科学讲座3（2022）10004117图三十四标准化的压降和流线对流速;尖角轴对称8：1收缩流速;β = 0.9，L = 5和λD={0.0，0.05，0.075，0.1}下的swIM模型和等效粘度水平下的牛顿预测;全符号：PAA/CS Boger解，空符号：牛顿CS。在此，每个涡流相位的帧着色被映射到压降对流速图中，以定位沿该曲线的运动学表现的对应值图取自[4]。图三十五 流线和第一法向应力差N 1对低速率;尖角轴对称8：1收缩流;swIM模型，β = 0.9，L = 5和λD=0.075. 在这里，示例的湍流结构的演变和它的相关性与在凹槽区域中开发的流体的粘弹性响应的凸角涡scv-阶段，唇涡lv-阶段，scv-lv共存阶段和过渡到弹性角涡ecv-阶段示出图取自[4]。J.E. 洛佩斯阿吉拉尔科学讲座3（2022）10004118图三十六。流线和N1对湍流速率的影响;尖角轴对称8：1收缩湍流;swIM模型，β = 0.9，L = 5，λD= 0.075。在这里，一个样本的ecv -阶段的ecv-结构的演变和它的相关性与粘弹性响应的ecv-阶段的凹槽区域中图取自[4]。图37岁随流速增加的涡旋活动示意图;在纵横比2：1、4：1和16：1下的尖角轴对称收缩涡旋流;聚丙烯酰胺（PAA）在玉米糖浆（CS）中的Boger溶液，溶剂分数β = 0.73。根据不同的收缩率，描述了不同的涡结构演化模式图取自[4]，数据改编自[18]。J.E. 洛佩斯阿吉拉尔科学讲座3（2022）10004119图38岁 流线对无因次流动速率Wi;收缩比α ={2，4，8}时的尖角轴对称收缩流线; β = 0.9，L =5，λD= 0.1时的swIM模型。在此，对于α ={2，4}观察到从scv到ecv相的顺时针结构演变，而对于α=8记录到中间scv-lv共存相。图取自[4]。J.E. 洛佩斯阿吉拉尔科学讲座3（2022）10004120图39岁。无粘性剪切和拉伸粘度与变形速率的关系;原始Bautista-Manero-Puig BMP、BMP+_τp和NM_τp模型; β = 10 −3和各向异性结构和破坏参数{ω，ω}={4，1}下的高浓度溶液。BMP模型预测无限延伸粘度的证据与BMP+_τp和NM_τp模型变体的校正一起提供。图取自[6]。F IG。 40. D im en iesN1Sear ag a i nsh ea rat e;B MP，B MP +_τp和N M_τpmdes;h h in cent rat e d s ol u nsun derβ=10−3和d {ω，ω} ={4，1}。BMP+τp模型恢复了蠕虫状胶束体系和聚合物材料在高剪切速率下的二次N1剪切分支（NM τp和早期模型变体丢失）图取自[6]。