自修复用幂律流体表面裂隙充注-铺展流动数值模拟

　　材料在加工、使用过程中不可避免会受到力和热的作用,从而影响材料的使用性能及寿命,甚至产生灾难性后果。自修复思想正是基于这种考虑被提出 的。材料自修复模仿生物在损伤下自动分泌物质弥合伤口的机理,即当材料出现损伤后,在没有人工干预的情况下,实现材料损伤的修复。

　　目前主要的自修复方法是闭式方案,即将修复剂封闭在胶囊或空心纤维管内,当裂隙产生并刺破胶囊或纤维管壁后,修复剂流出,充注入裂隙并固化,从 而实现材料的自修复[1-5]。上述方案的缺点是修复剂没有后续补充,不能多次修复。文献[6]提出了一种连续自修复方案,即修复剂在泵的作用下,在材料 内的预制流道中循环流动,当有裂隙刺破流道壁面时,修复剂流出启动自修复过程。对表面损伤而言,修复剂先充注入裂隙,注满后再沿材料表面铺展。实际的修复 剂多具有非牛顿特性,其充注-铺展流动特征是影响表面损伤自修复效果的重要因素,相应的理论和实验研究还十分缺乏。本文拟通过数值模拟方法研究典型条件下 非牛顿流体表面裂隙充注-铺展流动特性,为深入了解自修复过程规律提供参考。

　　1　模型

　　假设裂隙发生在水平放置材料的上表面,裂隙为长方体空穴,如图1所示,裂隙底部有一矩形入口为裂隙刺破修复剂流道壁面的裂口,修复剂在压力驱动 下经裂口充注入裂隙,当流动前沿达到材料表面时开始铺展流动,在充注-铺展流动过程中,修复剂会产生固化反应,达到自修复的目的。通常修复反应过程较充注 -铺展过程慢得多,因此可以忽略二者的耦合,先分析充注-铺展过程。假设修复剂流道中充满压力为Pin的修复剂,计算时取Pin=P(表压),空气域侧面 及上表面压力(表压)Pout= 0。

　　假设流体为幂律流体,其本构方程为[7]

　　式中:τ为剪应力张量;.γ为剪切变形张量;n为幂律指数;K为稠度系数。假设流动为层流,采用体积分数法(VOF)建立CFD模型,对于同时含有2种流体的微元,该法计算时所用物性由当地液相体积分数α1求出,比如密度

　　式中ρ1,ρ2分别为液相、气相密度,通过求解体积分数α1可跟踪相界面。体积分数α1满足输运方程

　　连续性方程为

　　动量方程为

　　式(3)~(5)中: t为时间; v为速度矢量; f为体积力;p为静压力(绝对压力);τij为黏性应力张量,其各分量由本构方程(1)确定。

　　采用基于有限容积法的Fluent软件求解。计算时采用基于压力的非稳态隐式格式,压力-速度耦合选择PISO算法,压力离散采用体积力加权,动量方程离散采用二阶迎风格式,计算网格为六面体网格。