多孔介質流模塊簡介

2020年 6月 11日

擁有一款先進的多孔介質建模工具,是許多行業的剛性需求。COMSOL Multiphysics? 軟件 5.5 版本新增的附加產品——多孔介質流模塊,可以滿足眾多行業的需求。使用該模塊可以定量研究多孔介質中的質量、動量和能量傳遞。該模塊適用于燃料電池、紙漿和紙張干燥、食品生產及過濾等行業及領域。

多孔介質流建模

在許多工程領域,例如化學工程、土木工程和核工程中,模擬多孔介質中的質量、動量和能量流是很常見的。多孔介質流模塊包含一套完整的物理場接口,可以幫助工程師和科學家模擬多孔介質中不同類型的物理過程。

使用多孔介質流模塊模擬的冷凍夾雜物模型
使用多孔介質流模塊模擬的冷凍夾雜物。

多孔介質流模塊允許采礦、生物醫學和食品工業等許多不同行業的工程師,在友好的建模環境中分析和優化其工作流程。例如,多孔介質中的多相之間的輸運現象可以通過一個完整的多物理場方法進行建模。

借助多孔介質流模塊的多物理場功能,我們可以計算:

  • 多孔介質中的非等溫流動
  • 多組分體系的有效傳遞屬性
  • 多孔彈性
  • 水分和化學物質的運輸

下面,我們詳細地看一下其中的一些應用領域……

多孔介質中的多相傳遞

多孔介質流模塊包括可用于模擬多孔介質中多相流動的工具,其中相個數可以是兩個或任意數量的流動相。我們可以指定多孔介質的屬性(例如相之間的相對滲透率和毛細壓強)模擬多孔介質中的芯吸、水分輸運或其他輸運現象。

紙帶芯吸模型的模擬結果
紙條芯吸模型(一種多孔介質)的模擬結果。

當干燥的紙條與流體接觸時,由于毛細管力,紙條將吸收流體,吸收過程將一直持續到重力與毛細壓力平衡為止。在此示例中,水和空氣兩相通過達西定律多孔介質相傳遞 接口耦合而相互作用。

多孔介質中的非達西流

在之前的博客文章中,我們討論了可用于模擬飽和及變飽和多孔介質中的流動的物理接口,包括達西定律Brinkman 方程 接口。

達西定律適用于孔隙中間隙速度較低的場景,即雷諾數低于100。對于較高的速度和雷諾數,可以在動量方程中添加附加的非線性修正。多孔介質流模塊可以模擬非達西流體,其中流體的速度場與壓力梯度存在非線性關系。

在COMSOL Multiphysics中模擬多孔介質中的非達西流設置。
可用于模擬多孔介質中非達西流的選項包括 ”達西定律 ”和“多孔介質多相流”接口的 Forchheimer,Ergun,Burke-Plummer 和 Klinkenberg 模型和布林克曼方程的 Forchheimer 和 Ergun 模型。

多孔介質傳熱的局部熱平衡和非平衡

多孔介質中的熱傳遞可能包含傳導、對流和彌散等效應,并且必須考慮固相和液相的不同的熱屬性。借助多孔介質流模塊,可以使用兩種建模方法來模擬多孔結構中的傳熱:

  1. 局部熱平衡(LTE),其中固體基體和液相的溫度處于局部平衡狀態。
  2. 局部熱非平衡(LTNE)為固相和液相定義了不同的能量方程,因此考慮流-固界面的溫差導致的傳熱效應。

填充床潛熱存儲單元的模型,該模型在結果中包括相變效應和局部熱不平衡
包含相變效應和局部熱非平衡的填充床潛熱存儲模型。

多孔介質中的裂隙流動

諸如化學、土木和核工程師會遇到到模擬斷裂多孔介質中的質量、動量和能量傳遞現象。多孔介質流模塊包括用于模擬幾何模型內部邊界上壓力、溫度和化學物質傳遞的物理場接口。使用這些接口可以近似模擬實際裂隙,同時也可以避免對具有厚度的裂隙進行網格剖分以及由此產生的計算資源消耗。

陶瓷水過濾器的模型的仿真結果,該水過濾器的芯由多孔碳材料制成。
活性炭芯陶瓷濾水器模型的模擬結果。

陶瓷濾水器通常用于去除飲用水中的化學物質和顆粒。陶瓷芯中的小孔可以去除大顆粒和細菌,而活性炭也可以去除重金屬和氯。如果陶瓷芯中存在裂隙,可能會導致飲用水中殘留污染物。

多孔介質的相變

多孔介質流模塊還包括量身定制的、用于模擬多孔介質中相變的接口。典型的相變現象包括冰融化成水建筑材料中蒸汽的蒸發和冷凝。

后續操作

單擊以下按鈕,可以在多孔介質流動模塊中找到模擬多孔介質中的質量、動量和能量傳輸專用功能的更多信息:


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