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材料属性设置模块手册

1. 模块概述​

模块名称：材料属性设置模块

功能说明：此模块用于定义和配置仿真中涉及的各种流体材料的物理性质。材料属性是计算流体动力学（CFD）仿真的物理基础，其设置的准确性直接决定了仿真结果的可靠性。本模块支持从简单牛顿流体到复杂非牛顿流体的多种材料模型。

核心功能：

  • 定义单相或多相流体的基本物性参数
  • 配置流体之间的相互作用参数（如表面张力、接触角）
  • 选择适用于不同流变特性的粘度模型
  • 为多相流、自由表面流等复杂物理问题提供材料基础

2. 流体相选择与管理​

2.1. 流体相标识​

功能说明：标识当前已定义或可定义的流体相。软件支持两相流体设置，用于模拟气-液、液-液或气-固等多相流问题。

  • 1号流体：通常定义为主相（例如液体）
  • 2号流体：通常定义为次相（例如气体）

操作逻辑：点击1号流体或2号流体标签，可切换并编辑对应流体的属性。

3. 基础物性参数设置​

TFluid界面UI会根据所选求解器自动显示所需设置的物理参数，如下表所示：

流体模块基础参数热力学参数
单相流密度 [kg/m^3]
运动粘度 [m^2/s]
重力加速度 [m^2/s]		无
单相流 + 传热密度 [kg/m^3]
运动粘度 [m^2/s]
重力加速度 [m^2/s]
界面压缩系数		比热容 [J/(kg·K)]
导热系数 [W/(m·K)]
热膨胀系数 [^\circC^-1]
参考温度 [K]
两相流密度 [kg/m^3]
运动粘度 [m^2/s]
重力加速度 [m^2/s]
接触角 [^\circ]
表面张力系数 [N/m]		无
两相流 + 传热密度 [kg/m^3]
运动粘度 [m^2/s]
重力加速度 [m^2/s]
界面压缩系数
接触角 [^\circ]
表面张力系数 [N/m]		比热容 [J/(kg·K)]
导热系数 [W/(m·K)]
热膨胀系数 [^\circC^-1]
参考温度 [K]

4. 相间相互作用参数（关键用于多相流）​

4.1. 1号流体接触角​

界面显示：1号流体接触角(0~180度) 参数含义：定义当前选中流体（此处为1号流体）与固体壁面接触时的静态接触角。该参数仅当该相与壁面接触时生效，用于确定三相（固-液-气或液1-液2-固）接触线的位置。

  • 接触角θ定义：在接触点处，流体-流体界面切线与固体表面之间的夹角，从当前流体内部量起。 取值范围：0° ~ 180° 物理意义：
  • θ < 90°：流体湿润壁面（亲液）
  • θ = 90°：中性（示例设置）
  • θ > 90°：流体不湿润壁面（疏液） 典型应用：
  • 水滴在玻璃上：θ ≈ 20°（亲水）
  • 水滴在荷叶上：θ > 150°（超疏水）
  • 水银在玻璃上：θ ≈ 140°（疏液）

4.2. 表面张力​

界面显示：表面张力(N/m) 参数含义：定义1号流体与2号流体之间界面上的表面张力系数。它是单位长度界面上的收缩力，影响液滴合并、毛细现象等。 单位：牛顿每米 (N/m) 典型值参考 (20°C)：

流体对表面张力 (N/m)
水-空气0.0728
乙醇-空气0.0223
水银-空气0.4865
水-油~0.03 - 0.05

4.3. 界面压缩系数​

界面显示：界面压缩系数 参数含义：用于控制VOF等多相流模型中相界面的“锐利”程度。该系数作用于界面捕捉方程中的压缩项，影响界面附近的数值耗散。 取值范围：通常为 0 ~ 1 设置建议：

  • 0：关闭界面压缩，界面会因数值扩散而模糊。
  • 0.5 ~ 1.0：推荐范围。0.8是一个常用值，能在保持界面锐利和计算稳定之间取得良好平衡。
  • 1.0：最大压缩，界面最锐利，但可能导致数值不稳定。 影响：系数越大，界面越薄、越清晰，但对网格质量和时间步长要求更高。

5. 粘度模型​

参数含义：选择描述流体剪切应力与剪切速率之间关系的本构模型，即流变模型。

5.1. 模型详解与选择指南​

5.1.1. 牛顿流体模型​

  • 特点：粘度μ为常数，与剪切速率无关。
  • 适用流体：水、空气、大多数低分子量液体和气体。
  • 选择建议：模拟常规液体和气体时选择。

5.1.2. 宾汉模型 (Bingham Model)​

  • 关键参数：屈服应力 τ₀，塑性粘度 μ_p。
  • 特点：存在屈服应力，应力低于τ₀时像固体，高于τ₀时像粘性流体。
  • 适用流体：牙膏、油漆、泥浆、某些食品（番茄酱）。
  • 选择建议：模拟具有明显“启动”效应的膏状物质。

5.1.3. 卡洛-亚苏达模型 (Carreau-Yasuda Model)​

  • 关键参数：零剪切粘度μ₀，无穷剪切粘度μ∞，时间常数λ，幂律指数n，亚苏达指数a。
  • 特点：能精确描述大部分聚合物溶液和熔体的剪切稀化行为，涵盖零剪切区、幂律区和高剪切牛顿区。
  • 适用流体：高分子溶液、熔体、血液。
  • 选择建议：模拟高分子流体时首选，参数较多，需要流变实验数据拟合。

5.1.4. 幂律模型 (Power-law Model)​

  • 关键参数：稠度系数K，流动指数n。
  • 特点：
    • n < 1：剪切稀化（假塑性）
    • n = 1：牛顿流体（K=μ）
    • n > 1：剪切增稠（胀塑性）
  • 适用流体：简单剪切稀化/增稠流体，如一些涂料、淀粉悬浮液。
  • 选择建议：模型简单，适用于行为近似幂律的流体。在极高和极低剪切速率下预测可能不准确。

5.1.5. 赫歇尔-巴尔克莱模型 (Herschel-Bulkley Model)​

  • 关键参数：屈服应力τ₀，稠度系数K，流动指数n。
  • 特点：宾汉模型与幂律模型的结合，既有屈服应力，剪切稀化/增稠行为又符合幂律。
  • 适用流体：巧克力浆、钻井泥浆、水泥浆。
  • 选择建议：模拟同时具有屈服应力和剪切稀化行为的复杂非牛顿流体。

5.1.6. Mu(i) 模型​

  • 特点：Mu(i)表示依赖于压力与材料参数的粘度模型
  • 参考文献：A two-phase volume of fluid approach to model rigid-perfectly plastic granular materials