Abaqus非牛頓流體模擬方法

2021-01-09 騰訊網

1687年，牛頓通過剪切流動實驗，得到流體的粘性定律，後來人們把剪應力與剪切變形速率呈線性關係的流體稱為牛頓流體。

牛頓剪切流動試驗示意圖

事實上，在自然界、工業生產以及生活中，常見的流體絕大多數都不滿足牛頓粘性定律，為了加以區別，這類流體被我們稱之為「非牛頓流體」。

四種典型流體的剪切力與剪切變形速率關係曲線

嚴格來講，流體的屬性並不是絕對的，通常還會受到溫度、溶液濃度等因素影響，所以下圖中展示的只是某種流體常見狀態下的歸類，方便我們後面一般意義上的討論與交流。

流體分類導圖（根據網絡整理）

瀝青到底是固體還是流體？1927年昆士蘭大學的Thomas Parnell設計了一個瀝青滴漏實驗，把瀝青放入一個帶封口的漏鬥裡，1930年打開封口，將近9年之後，第一滴瀝青滴出。時至今日，已滴出9滴瀝青，後來的負責人John Mainstone與Thomas Parnell也因此獲得2005年的搞笑諾貝爾獎。

John Mainstone與瀝青滴漏實驗裝置

非牛頓流體中的脹塑性流體無疑是流體中的世界級網紅，它很奇特，人可以在上面快速跑動，但是靜站在上面就會陷下去，它的力學特點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，你弱（慢）我柔」，可以抵抗衝擊，但是輕撫就稀碎，所以有人建議拿它來做防彈衣。

脹塑性流體

如何用Abaqus模擬非牛頓流體？

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模型中執行一個包含非牛頓流體的流體動力學分析，也可以在Abaqus/Explicit模型中使用非牛頓流體，比如CEL或SPH分析。

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方程（EOS）描述的材料一起使用。

Abaqus中可以用來描述非牛頓流體剪切粘度的模型有：

•Power law

•Carreau-Yasuda

•Cross

•Herschel-Bulkey

•Powell-Eyring

•Ellis-Meter

這些模型適用於不同類型的非牛頓流體，有的是比較通用的形式，比如Power law（冪律模型），適用於廣泛剪切變形速率下的假塑性流體或脹塑性流體；有的是專用形式，比如Carreau-Yasuda模型，用於高分子聚合物的剪切變稀行為，可以用來模擬血液等流體。幫助文檔對這些模型的使用有比較詳細的介紹，需要時可以查詢。

另外，還可以通過表格或子程序定義剪切粘度：

•Tabular form

•User subroutine VUVISCOSITY

界面下無法完成非牛頓流體相關參數的直接輸入，一種方式是通過菜單欄或模型樹中的ModelEdit Keywords來添加剪切粘度的關鍵字；另一種是直接修改生成的inp文件。

非牛頓流體剪切粘度定義方式

案例 1

旋轉的金屬葉輪從同一高度落入玉米澱粉溶液，轉速較低的時候，液體表現出的粘度較小，葉輪更容易陷入其中；轉速較高的情況下，流體表現出更大的粘度，葉輪可以在液體表面「奔跑」。

玉米澱粉溶液（CEL）

案例 2

擠牙膏，牙膏屬於賓漢流體，這種流體存在一個屈服應力，只有先克服這個最小應力，流體才會流動，就像牙膏表現出的那樣：「不擠不流」。

在Abaqus中沒有賓漢流體的直接模型，但是這並不影響，因為Abaqus有一個更廣義的Herschel-Bulkey Model（赫巴模型），可以用來定義賓漢流體的剪切粘度，模型中的流動行為指數n=1的情況下，Herschel-Bulkey模型退化為Bingham模型，所以我們把指數定義為1就可以了。

牙膏筒的頭部和底部幾何建模可以通過迴轉與平面草圖實現，中間部分用Loft過渡，內部的牙膏通過牙膏筒封閉面的方式來創建實體。

牙膏筒與牙膏的幾何模型

擠牙膏（SPH）

相關焦點

  • Abaqus非牛頓流體模擬方法
    ，為了加以區別，這類流體被我們稱之為「非牛頓流體」。如何用Abaqus模擬非牛頓流體？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模型中執行一個包含非牛頓流體的流體動力學分析，也可以在Abaqus/Explicit模型中使用非牛頓流體，比如CEL或SPH分析。
  • 非牛頓流體
    非牛頓流體，是指不滿足牛頓黏性實驗定律的流體，即其 剪應力與剪切應變率之間不是 線性關係的流體。非牛頓流體廣泛存在於生活、生產和大自然之中。絕大多數生物流體都屬於現在所定義的非牛頓流體。人身上血液、 淋巴液、囊液等多種 體液，以及像 細胞質那樣的「半流體」都屬於非牛頓流體。非牛頓流體廣泛存在於生活、生產和大自然之中。
  • 非牛頓流體
    非牛頓流體，是指不滿足牛頓黏性實驗定律的流體，即其剪應力與剪切應變率之間不是線性關係的流體。非非牛頓流體廣泛存在於生活、生產和大自然之中。絕大多數生物流體都屬於現在所定義的非牛頓流體。人身上血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細胞質那樣的「半流體」都屬於非牛頓流體。基本定義按照流體力學的觀點，流體可分為理想流體和實際流體兩大類。理想流體在流動時無阻力，故稱為非粘性流體。
  • 牛頓流體和非牛頓流體
    從力學分析的角度，一般認為流體和固體的主要差別在於，它們對外力的抵抗能力不同。固體能夠抵抗一定大小的拉力、壓力和剪切力。當外力作用在固體上時，固體將產生一定程度的變形。固體靜止時，可以承受法向應力和切向應力。而流體在靜止時，則不能承受切向應力，微小的剪切刀將使流體產生連續不斷的變形。只有當剪切力停止作用時，流體的變形才會停止。
  • 奇妙的非牛頓流體
    早在人類出現之前，非牛頓流體就已存在，因為絕大多數生物流體都屬於現在所定義的非牛頓流體[1]。人身上的血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細胞質那樣的「半流體」都屬於非牛頓流體。現在去醫院作血液測試的項目之一，已不再說是「血粘度檢查」，而是「血液流變學檢查」（簡稱血流變），這就是因為對血液而言，剪應力與剪切應變率之間不再是線性關係，已無法只給出一個斜率（即粘度）來說明血液的力學特性。
  • 不可思議的非牛頓流體
    牛頓流體VS非牛頓流體 自然界中許多流體是牛頓流體。水、酒精等大多數純液體、輕質油、低分子化合物溶液以及低速流動的氣體等均為牛頓流體；高分子聚合物的濃溶液和懸浮液等一般為非牛頓流體。
  • 好玩的科學|非牛頓流體
    今天是的遼寧凌源市鐵北逸夫小學的謝欣雨小朋友帶來的非牛頓流體！🚩本篇推文指南：非牛頓流體的鼎鼎大名相信大家都有所耳聞，那你是否自己親手做過呢，家裡還有澱粉嗎？有的話趕緊自己嘗試一下吧。根據粘度特性，流體可以分為兩種基本類型:牛頓流體和非牛頓流體。非牛頓流體在受到某種力的時候，比如擊打、撞擊或者踩踏時，粘度降低變得更加容易流動，或是粘度增加變得像固體一樣堅硬。這就是所謂的遇強則強，遇弱則弱。高分子聚合物的濃溶液和懸浮液等一般為非牛頓流體，比如番茄醬、蜂蜜。1 利用非牛頓流體的特性，避免把房屋建在某些類型的黏土上。
  • 非牛頓流體你了解麼?
    當用錘子去重擊牛頓流體之蜂蜜時然而，工業上許多流動均不適用於牛頓流體，對於某些流體，形變率和剪切力呈現一種非線性的關係，這一類流體被稱之為非牛頓流體。所謂的非牛頓流體，用科學的話講，就是其剪應力與剪切應變率之間不是線性關係的流體。換句話說，當我揮拳去打非牛頓流體時，我還真能把它從「水」給揍成「蜂蜜」呢。比如，常見的非牛頓流體就有摻了水的澱粉，相信咱們中國人做餃子和面都有過切身感受，非牛頓流體到底是個什麼感覺呢？
  • 科普‖有趣的非牛頓流體
    一、聚合物工業方面：聚乙烯、聚丙烯醯胺、聚氯乙烯、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。二、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、鑽井用的洗井液和完井液、磁漿、某些感光材料的塗液、泡沫、液晶、高含沙水流、泥石流、地幔等也都是非牛頓流體。
  • 關於非牛頓流體,其實我們認識的都是錯的?
    但是隨著我們從越來越多的科普節目、文章中認識到非牛頓流體，這些認識與理解真的是對的嗎？我們對上面的圖片、動圖接觸的越來越多，導致現在大多數人都誤會覺得：非牛頓流體就是當受力小的時候為液體，而受到較大的外力就會變得較粘稠、較硬（類似固體）的東西。但是這真的是正確的嗎？
  • 介於液體與固體之間的非牛頓流體
    其實，咀嚼完全的口香糖是一種非牛頓流體，其性質介乎於液體與固體之間。當表面壓力較小，又非常柔軟時，有了液體的性質，此時我們用力擊打「非牛頓流體」，壓力會均勻地傳遞到每一個分子顆粒上，強大的分子間作用力，就會對打擊物體施加一個反作用力，給人的感覺就像在捶打著一堵牆。其實把玉米澱粉和水按2:1混合就能製作成非牛頓流體，它的黏度會因為受到壓力或者是速度而變化，在黏度增加的時候還可能成為類固體狀態。
  • 有意思的非牛頓流體-口香糖開椰子
    當然，真實的答案就是他們都跟一個聽上去很酷的詞有關係：非牛頓流體。 網上一搜，對「非牛頓流體」的解釋，專業話是：非牛頓流體是指不滿足牛頓黏性實驗定律的流體，即其剪應力與剪切應變率之間不是線性關係的流體。翻譯成白話就是：用玉米澱粉和水混合在一起揉吧揉吧，形成粘不拉幾的液體，那就叫「非牛頓流體」。
  • 【旭升•科學】「非牛頓流體」研究報告
    這種流體支撐重量的大小又和什麼有關係呢？帶著這些疑問，我開始了這次實驗。要想研究這些問題，我們首先要自己製作一份「非牛頓流體」，通過資料查閱，發現用澱粉和水就可以製作。我們需要準備的材料有杯子、澱粉、水和筷子。首先拿出杯子將適量的玉米澱粉放入，玉米澱粉與水的比例大約是3:1。
  • 吃軟不吃硬的非牛頓流體
    非牛頓流體，是指不滿足牛頓黏性實驗的流體。在日常生活中，番茄汁、澱粉液、蛋清、蘋果漿和醬油都是典型的非牛頓流體。在綜藝中也常常有它們的身影，像《快樂大本營》，《超能少年團》等。非牛頓流體介於固體和液體之間，當它表面受壓時，就會變硬，具備一定的固體特性，當它表面不受壓時，就會非常柔軟，如同液體。它的應用有很多，比如防彈衣，不僅穿著舒適，而且防彈性能十分優秀。
  • 科普 | 什麼是非牛頓流體
    匹克態極的自適應鞋底水、澱粉按照3：1的比例混合就可以自制非牛頓流體>當它受力後受力處的水被擠壓至別處從而使受力處的顆粒間失去潤滑作用使顆粒運動變得困難從而增大了黏度非牛頓流體不僅有受力後黏度增大的脹塑性流體
  • 什麼是非牛頓流體 | 材視科普 Vol.5
    有趣，有溫度的科普讓科技走進生活許多人想看的非牛頓流體今天它來了請觀看我們的非牛頓流體視頻大家一定聽過神奇的口香糖開椰子浙江衛視的平地水上漂以及匹克態極的自適應鞋底正所謂真相永遠只有一個它們都是非牛頓流體
  • 輕鬆練成「水上漂」,非牛頓流體你了解麼?
    當用錘子去重擊牛頓流體之蜂蜜時然而，工業上許多流動均不適用於牛頓流體，對於某些流體，形變率和剪切力呈現一種非線性的關係，這一類流體被稱之為非牛頓流體所謂的非牛頓流體，用科學的話講，就是其剪應力與剪切應變率之間不是線性關係的流體。換句話說，當我揮拳去打非牛頓流體時，我還真能把它從「水」給揍成「蜂蜜」呢。比如，常見的非牛頓流體就有摻了水的澱粉，相信咱們中國人做餃子和面都有過切身感受，非牛頓流體到底是個什麼感覺呢？
  • 非牛頓流體能抵擋住穿甲彈的襲擊嗎
    在網上搜索「非牛頓流體」，映入眼帘的是一大堆在特製的流體上奔跑的視頻。這種流體用玉米澱粉和水按一定比例製作而成，具有「遇強而強」的性質。當它受力時，它就會變稠，且所受的力越大，它就變得越稠。於是，人們可以在它上面跑動而不會往下沉。但是，當你靜止不動時，你就會慢慢往下陷。
  • 老外在非牛頓流體中「泡澡」一天,最後變怎樣?
    老外在非牛頓流體中「泡澡」一天，最後變怎樣？ 經常關注我們節目的小夥伴應該對「非牛頓流體」不會陌生吧，這種流體可是外國友人「實驗室」裡的「常客」，
  • 《快樂大本營》非牛頓流體遊戲受熱捧 操作演示(圖)
    湖南衛視《快樂大本營》20100605期有一個非常有趣的遊戲其原理是關於非牛頓流體，什麼是非牛頓流體?非牛頓流體遊戲演示視頻。非牛頓流體力學是由流變學發展起來的研究非牛頓流體應力和應變的關係和非牛頓流體流動問…    湖南衛視《快樂大本營》20100605期有一個非常有趣的遊戲其原理是關於非牛頓流體，什麼是非牛頓流體?非牛頓流體遊戲演示視頻。    非牛頓流體力學是由流變學發展起來的研究非牛頓流體應力和應變的關係和非牛頓流體流動問題的分支學科。