流变学计算重要工具:CFD数值分析软件(cfd流体分析软件)
流变学并不难,只要抓住核心思想,理解核心概念,就能轻松应用!
我们研究材料的流变学,一定是希望了解它在某些特定的运动下的行为;除了定性地理解,最好是有什么方法能够准确地计算并预测出流体的行为。
这就是CFD软件的目标。
CFD软件
计算流体动力学(Computational Fluid Dynamicss, CFD)是控流体力学、计算数学和计算机科学结合的产物,是传热、传质、动量传递、燃烧、多相流、化学反应研究的核心技术。
CFD软件是以有限元原理(本文用“有限元”的广义涵义来代表一大类数值计算方法,包括有限单元法、有限体积法、有限差分法等)为基础的,因此其本质还是求解偏微分方程;这一类软件已经是目前人类科学与工程研究的核心工具,广泛应用在几乎一切科学及工程领域——
理解多物理场有限元原理:固体力学 &传热学 &流体力学 &电磁学
Polyflow发展历程
既然是“计算流体动力学”,那么,是否也包含非牛顿流体的计算呢?
当然,虽然高分子领域的材料行为比较复杂,但是既然有需求,就一定有聪明的头脑投入开发。
早期有一款著名的针对高分子加工的CFD软件——Polyflow。一听这个名字就知道它是专门研究高分子流变的,在1982年由比利时大学开发,具有强大的解决非牛顿流体和非线性问题的能力。
1997年,Polyflow被美国的Fluent公司收购,成为通用流体动力学软件的一部分,其优秀的前处理模块Gambit也融入Fluent,成为核心的竞争力之一。
1999年,北京理工大学陈晋南老师率先引进了Polyflow软件,并建立了化工过程数值模拟实验室。
2006年,有限元软件ANSYS收购了Fluent,所以,我们今天看到的ANSYS,是包含了许多年、许多智慧头脑的结晶。
上面的历程其实反映出有限元软件的一个发展规律,即:专用领域CFD→通用CFD→通用有限元软件
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高分子领域CFD软件
除了上面讲过的Polyflow(Fluent, ANSYS)以外,还有许多可以做高分子流变计算的软件,比如PHOENICS(英)、GAUSSIAN(美)、MATERIALS STUDIO(美)、star-ccm (德)。
那么我们不禁要问了,怎么全是欧美的软件,中国人没有自己的商用高分子流变计算软件么?
没有。至少没有可商用的。
原因很简单,这种软件看起来好像不难,但是需要多年的人才和技术积累,并且可能面临着多年的大量的研发投入;也正因如此,才有了各种公司的并购,目的就是吸纳别家公司积累多年的技术与人才。
有一个问题
做过有限元仿真的同学,尤其是研究过多物理场计算的同学,比如用过ANSYS,很可能会有一种感觉——“为什么同一个软件内部,不同的模块之间差别那么大,数据的传递都非常困难呢?”
通过上面关于软件并购历程的分析,我们知道了,目前大型的商用有限元软件,大都是收购产生的,这一定会导致整合的问题,毕竟不同公司的设计理念、操作流程极有可能都是不同的。
那么,有没有什么软件,能够无缝地仿真多个物理场,而且界面统一,数据传输简洁呢?
还真有一个,就是最近几年强势崛起的COMSOL,为多物理场仿真而生,所有的模块都无缝整合在一个界面中,使用起来完全没有区别,大大降低了对于多物理场仿真的学习时间。
COMSOL用好了,真的是无所不能,感兴趣的同学可参见专栏《解析前沿科技底层多物理场原理》,如:
最后的话
10堂流变学的专栏至此就结束了,其实流变学的内容比较庞杂,许多问题还有多种解释的理论,甚至没有比较好的理论;咱们用10课专栏,全面地、本质地理解了流变学中的最核心的概念、原理和工具,相信对于大部分小伙伴来说,可以实现用最少的时间,掌握流变学的核心。
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