恒流条件下树脂在双尺度多孔介质中流动的数值模拟

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早期,许多学者们认为液态聚合物在预制体中的流动过程,是建立在单尺度多孔介质模型下,且服从达西定律。即假设树脂流经的区域为饱和区域,而树脂未流经的区域为非饱和区域。经过数值模拟发现,任意时刻节点压力与节点位置呈线性关系。但近几年,通过压力传感器监测得到的实验数据研究发现,实际节点压力与节点位置是呈非线性关系,这种模型即为双尺度多孔介质模型。理论解释为:液态聚合物在预制体的流动过程中,纤维束存在延迟浸润的现象,即在不饱和流动前沿与饱和区域之间存在一个不完全饱和的区域带。  建立合适的控制方程模拟LCM工艺中树脂的流动特性、变化规律,及充模完成的时间,对LCM这种高性能复合材料的制造技术有很大的理论指导价值,是合理确定成型温度、成型压力、充模和保压时间等重要工艺参数的依据。本课题主要模拟LCM工艺中树脂在二维和三维的双尺度多孔介质中的流动特征,得到更适合实际产品的模型,更具有实际意义。  本课题主要研究结论如下:  在二维算例中,通过比较隐式算法、显示算法和实验结果在三个相同时刻下流动前沿位置,验证了隐式算法的准确性。分析在不同的流动前沿处,节点压力与前沿的关系,得到压力在饱和区域为线性变化,在半饱饱和区域为非线性变化,且压力梯度近似为0。  在三维算例中,研究充模完成时的压力云图,发现远离注入口的节点压力变化不明显。分析认为,在充模过程中,随着树脂流经的模腔变大,树脂逐渐被分流,压力相应以非线性的形式下降,且下降的速度非常快。然后,列出流动前沿与时间的关系式,将单尺度多孔介质的理论结果曲线与双尺度多孔介质的结果曲线做对比,发现充模的中间段时,双尺度模型的流动前沿明显偏离单尺度模型,呈现出半饱和区域。  在曲面算例中,主要是对压力云图做了分析,发现在半球壳薄板充模的过程中,压力的变化跟球体的弧度变化以及网格划分有一定关系。
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