En la mecánica de medio continuo tradicional la distinción entre un sólido y un líquido es clara: el sólido es una sustancia elástica que puede modelarse mediante la ley de Hooke, mientras que el líquido es una sustancia viscosa que obedece a la ley de Newton de viscosidad constante. Sin embargo, ahora se sabe que hay muchos materiales que presentan simultáneamente características similares a los sólidos y a los líquidos, que poseen propiedades de naturaleza mixta. Los materiales viscoelásticos combinan propiedades mecánicas típicas de los sólidos (elasticidad) y de los fluidos (viscosidad). Por ejemplo, muchas sustancias poliméricas presentan propiedades tanto viscosas como elásticas durante la deformación del material. Para estas sustancias, en lugar de una respuesta elástica o viscosa bien definida a perturbaciones de deformación, puede observarse una deformación dependiente del tiempo o del esfuerzo cortante aplicado. Aunque los polímeros pueden considerarse un claro ejemplo de sustancias viscoelásticas, existen muchos otros materiales que también presentan una amplia gama de comportamientos esfuerzo-deformación dependientes del tiempo . La viscoelasticidad, que puede definirse como el área del conocimiento dedicada al estudio del comportamiento viscoelástico, es una herramienta importante para comprender un gran número de procesos físicos, como la movilidad molecular en polímeros y el análisis de la dinámica de defectos en interfaces cristalinas en sólidos . También es fundamental en el proceso de diseño de nuevos materiales y dispositivos empleados para diversos fines tales como la reducción de las vibraciones, el control de choques mecánicos, y la reducción del ruido . Los flujos viscoelásticos son importantes para un gran número de aplicaciones industriales y están presentes en muchas situaciones cotidianas que van desde el comportamiento de la pasta de dientes que fluye por extrusión , hasta la fundición de metales o el formado de polímeros fundidos , incluyendo muchos procesos de producción y análisis de la industria alimentaria . El comportamiento viscoelástico se ha reconocido como una característica dominante y extremadamente importante de muchos flujos prácticos y, por tanto, como un fenómeno clave que debe comprenderse mejor.
La viscoelasticidad es uno de los temas principales de la reología, un campo de estudio que se ocupa de la descripción del flujo de la materia y de las propiedades mecánicas de las sustancias en diversas condiciones de deformación. En reología, los métodos experimentales han sido habitualmente la principal fuente de datos para el análisis de la respuesta de tipo fluido de la materia . Sin embargo, para comprender y utilizar eficazmente la información reológica experimental disponible, es esencial disponer de un marco mecanicista coherente. No obstante, para comprender y utilizar eficazmente la información reológica experimental disponible, es esencial disponer de un marco mecanicista coherente. Además, la interpretación del comportamiento viscoelástico en términos de conceptos teóricos claros debería producir directrices para dar un sentido limpio a las observaciones, relacionar el comportamiento con la composición y la estructura, predecir o estimar las propiedades físicas y facilitar el control de las aplicaciones prácticas de las sustancias viscoelásticas. A pesar del gran número de usos prácticos actuales de los materiales viscoelásticos, no existen expresiones o modelos sencillos que puedan considerarse un marco mecanicista generalizado que se ajuste a todos los datos experimentales. Aunque el corpus de estudios sobre modelación de fluidos viscoelásticos es amplio, sigue siendo relativamente modesto en comparación con la extensión de la investigación dedicada a otros casos de flujo de fluidos "más convencionales".
La modelación es una alternativa válida para explorar materiales viscoelásticos complejos, para complementar cualquier enfoque experimental y un campo que hay que seguir explorando . Recientemente se ha propuesto un nuevo enfoque de modelación espectral en el que las ecuaciones constitutivas se formulan en términos de invariantes espectrales (véase ), y que se ha empleado para formular un marco de modelación constitutiva tridimensional que emplea una matriz viscoelástica para modelar sólidos viscoelásticos sometidos a tensiones residuales mediante el método de los elementos finitos . Sin embargo, la modelación de fluidos viscoelásticos no es una tarea inmediata ni sencilla. La naturaleza compleja de los flujos viscoelásticos ha impedido de algún modo los intentos de obtener un modelo general y preciso. Parte de esta complejidad puede percibirse en el número de modelos teóricos que se han planteado para captar la amplia gama de casos posibles , lo que parece confirmar que la obtención de un modelo universal sencillo dista mucho de ser fácil. Mackay y Phillips destacan que aunque las contribuciones experimentales a la caracterización de materiales poliméricos en las últimas décadas han sido abundantes, parece faltar un impulso similar en el desarrollo de técnicas de modelación para ese tipo de fluidos. Algunos ejemplos de modelación del comportamiento viscoelástico incluyen el uso de la modelación de fluidos viscoelásticos basada en partículas , la modelación basada en el método de elementos finitos acoplado con el método de corchetes generalizado , los modelos continuos formulados en términos de difusión tensorial y el problema de Stokes tensorial , y el uso de una formulación basada en el potencial de Gibbs con el objetivo de obtener una modelación termodinámicamente consistente de fluidos viscoelásticos . Además de estos enfoques rigurosos pero costosos desde el punto de vista computacional, la viscoelasticidad también es de interés para el campo de los gráficos por ordenador . En este caso, la atención no se centra tanto en la exactitud del modelo físico sino en como obtener una simulación rápida que preserve el efecto visual general del material viscoelástico.
En el presente proyecto se exploró una técnica de modelación alternativa para fluidos viscoelásticos dentro del marco de la Multifísica Discreta (DMP) () que se sitúa de algún modo entre el enfoque riguroso y la emulación de comportamiento viscoelástico de los gráficos por ordenador. DMP es un enfoque híbrido alternativo para la modelación de fenómenos multifísicos en el que los métodos basados en partículas, por ejemplo la Hidrodinámica de Partículas Suaves, mejor conocido como SPH, se combinan con la dinámica molecular de partículas gruesas para capturar una amplia gama de comportamientos de sustancias, y que ha sido particularmente exitoso en la modelación de problemas multifísicos y multifásicos con grandes deformaciones interfaciales (). En este tipo de modelo no se modifican directamente las ecuaciones de movimiento para tener en cuenta la viscoelasticidad, sino que se construye un modelo de partículas en el que se acoplan los campos de fuerza típicamente utilizados para la modelación de materiales elásticos y viscosos. Este enfoque es fácil de aplicar y más preciso que el utilizado en el área de graficos por computador ya que las propiedades viscoelásticas del fluido pueden verificarse en detalle. Sin embargo, bajo este enfoque se pierde la capacidad de deducir directamente la propiedad viscoelástica del modelo a partir de principios fundamentales. En cambio, bajo el enfoque propuesto, se requiere establecer estas propiedades ex-post mediante la realización de una serie de experimentos numéricos. En se utilizó un enfoque similar para sólidos viscoelásticos, pero en el presente proyecto el enfoque DMP se extiende a fluidos viscoelásticos.
En este sitio presentamos los principales elementos de la metodología explorada para simulación de flujos viscoelásticos e incuimos información acerca de los conceptos teóricos de la viscoelasticidad, generalidades de la Hidrodinámica de Partículas Suaves (SPH) que es el método seleccionado para la modelación del comportamiento viscoso, presentamos los potenciales utilizados para la modelación del comportamiento elástico, y se da información concreta acerca de como usar Lammps para poder llevar a cabo simulaciones de flujos viscoelásticos mediante el enfoque DMP.