三维非等温聚合物充填过程的可计算建模及数值模拟研究

The polymer filling process belongs to non-isothermal viscoelastic two-phase flow. The injection velocity, temperature and other parameters significantly effect the polymer filling process, which will relate to the appearance and performance of the final products. This project devotes to build suitable computational model, develop efficient coupled method and study the non-isothermal polymer filling process via numerical simulation, which specifically includes: (1) considering the influence of temperature for the elasticity of polymer melt to build the non-isothermal eXtend Pom-Pom(XPP) constitutive model, based on the existing isothermal XPP constitutive model; (2) propose a coupled method: utilizing the macro type method to solve the flow field governing equations, and tracking the moving interface by cell based particle method (CBPM); (3) accomplish the numerical simulation of non-isothermal polymer filling process in three dimensional complex cavities, analyze the effects of control parameters for the filling process and optimize those parameters. When building the non-isothermal constitutive model, the key problem is to introduce reasonable temperature-stress interaction term. The key problems in the computation involve the information transfer between macro method and particle method, impose the boundary conditions, the stability and efficiency of the coupled method. Through the study of this project, several vital model theory and computational problems in the numerical simulation of non-isothermal polymer filling process will be settled.

聚合物充填过程属于典型的非等温粘弹性两相流动，注射速度以及温度场等因素对于该过程都会产生显著的影响，从而直接关系到最终制品的外观和性能。本项目致力于建立合理的计算模型并发展有效的耦合算法，数值模拟研究非等温聚合物充填过程，具体包括：(1)基于等温条件下的eXtend Pom-Pom(XPP)本构模型，考虑温度对于熔体弹性的影响，建立非等温XPP本构模型；(2)建立宏观方法求解流场方程、基于网格单元的粒子方法追踪运动前沿界面的耦合算法；(3)实现复杂型腔内三维情形下非等温聚合物充填过程的数值模拟，研究各控制参数对于该过程的影响机理，并对其进行优化。其中，非等温本构模型建立的关键问题是引入合理的温度-应力作用项；计算方面的关键问题是宏观方法和粒子方法之间信息的传递、边界条件的施加、耦合求解格式的稳定性及效率等。通过本项目的研究，将解决数值模拟非等温充填过程的一些关键模型理论及计算问题。

聚合物充填过程属于非等温非牛顿两相流动，对其进行数值模拟研究有着一定的科学意义及实用价值。本项目完成的主要研究内容包括：.a. 本项目基于Cahn-Hilliard方程捕捉聚合物熔体与空气之间的自由界面，依据相场模型参数将整个计算区域内的控制方程记为统一形式。采用分裂格式解耦统一的Navier-Stokes方程，并依据FEM和SUPG方法分别求解合适类型的子方程。非等温充填过程中聚合物熔体的流变行为通过Cross-WLF模型进行描述。对于三维薄壁型腔、带有圆柱体嵌件薄壁型腔内的充填过程，聚合物熔体质量的最大相对误差分别为2.6%和3.4%。.b. 本项目针对非等温聚合物充填过程中的裹气问题，建立了非等温XPP本构方程描述粘弹性聚合物的流变行为及相应的可计算模型。本项目发展了基于分裂格式的有限元-间断有限元耦合算法，对整个控制方程系统进行求解。分析了注射速度、浇口尺寸等参数，对于含有嵌件类复杂型腔内裹气现象的影响机理。研究表明，在注射速度较大、浇注口较小的情况下，更容易出现裹气现象。.啊是多久啊弗兰克急哦急哦i沙拉点击发送大佛案件送风机哦i啊大家哦时间.c. 本项目针对自由界面问题构建了拉格朗日粒子和流体体积函数耦合算法。吸收了拉格朗日粒子方法可以准确追踪运动界面，流体体积函数法可以保证很好的质量守恒性的优点。数值结果表明耦合算法可以稳定、准确地追踪带有奇异点以及较薄区域的自由界面。耦合算法不但能够保证较好的质量守恒性，而且可以降低数值结果的几何误差。.d. 本项目基于卷积神经网络模型，对传统有限体积法格式中的权重系数进行优化，以得到在粗粒度网格下具有较高精度的新数值格式，从而更适用于复杂问题的求解。该网络模型可以准确、有效地求解Burgers方程和Level Set方程，数值结果稳定，且具有较高数值精度。.本项目的研究为三维非等温聚合物充填过程的数值模拟建立了新的可计算模型，发展了有效、稳定、准确的数值算法，相关数值模拟结果可为工业生产提供一定的科学依据。