拥有一款先进的多孔介质建模工具,是许多行业的刚性需求。COMSOL Multiphysics® 软件 5.5 版本新增的附加产品——多孔介质流模块,可以满足众多行业的需求。使用该模块可以定量研究多孔介质中的质量、动量和能量传递。该模块适用于燃料电池、纸浆和纸张干燥、食品生产及过滤等行业及领域。
多孔介质流建模
在许多工程领域,例如化学工程、土木工程和核工程中,模拟多孔介质中的质量、动量和能量流是很常见的。多孔介质流模块包含一套完整的物理场接口,可以帮助工程师和科学家模拟多孔介质中不同类型的物理过程。
使用多孔介质流模块模拟的冷冻夹杂物。
多孔介质流模块允许采矿、生物医学和食品工业等许多不同行业的工程师,在友好的建模环境中分析和优化其工作流程。例如,多孔介质中的多相之间的输运现象可以通过一个完整的多物理场方法进行建模。
借助多孔介质流模块的多物理场功能,我们可以计算:
- 多孔介质中的非等温流动
- 多组分体系的有效传递属性
- 多孔弹性
- 水分和化学物质的运输
下面,我们详细地看一下其中的一些应用领域……
多孔介质中的多相传递
多孔介质流模块包括可用于模拟多孔介质中多相流动的工具,其中相个数可以是两个或任意数量的流动相。我们可以指定多孔介质的属性(例如相之间的相对渗透率和毛细压强)模拟多孔介质中的芯吸、水分输运或其他输运现象。
纸条芯吸模型(一种多孔介质)的模拟结果。
当干燥的纸条与流体接触时,由于毛细管力,纸条将吸收流体,吸收过程将一直持续到重力与毛细压力平衡为止。在此示例中,水和空气两相通过达西定律 和多孔介质相传递 接口耦合而相互作用。
多孔介质中的非达西流
在之前的博客文章中,我们讨论了可用于模拟饱和及变饱和多孔介质中的流动的物理接口,包括达西定律 和 Brinkman 方程 接口。
达西定律适用于孔隙中间隙速度较低的场景,即雷诺数低于100。对于较高的速度和雷诺数,可以在动量方程中添加附加的非线性修正。多孔介质流模块可以模拟非达西流体,其中流体的速度场与压力梯度存在非线性关系。
可用于模拟多孔介质中非达西流的选项包括 ”达西定律 ”和“多孔介质多相流”接口的 Forchheimer,Ergun,Burke-Plummer 和 Klinkenberg 模型和布林克曼方程的 Forchheimer 和 Ergun 模型。
多孔介质传热的局部热平衡和非平衡
多孔介质中的热传递可能包含传导、对流和弥散等效应,并且必须考虑固相和液相的不同的热属性。借助多孔介质流模块,可以使用两种建模方法来模拟多孔结构中的传热:
- 局部热平衡(LTE),其中固体基体和液相的温度处于局部平衡状态。
- 局部热非平衡(LTNE)为固相和液相定义了不同的能量方程,因此考虑流-固界面的温差导致的传热效应。
包含相变效应和局部热非平衡的填充床潜热存储模型。
多孔介质中的裂隙流动
诸如化学、土木和核工程师会遇到到模拟断裂多孔介质中的质量、动量和能量传递现象。多孔介质流模块包括用于模拟几何模型内部边界上压力、温度和化学物质传递的物理场接口。使用这些接口可以近似模拟实际裂隙,同时也可以避免对具有厚度的裂隙进行网格剖分以及由此产生的计算资源消耗。
陶瓷滤水器通常用于去除饮用水中的化学物质和颗粒。陶瓷芯中的小孔可以去除大颗粒和细菌,而活性炭也可以去除重金属和氯。如果陶瓷芯中存在裂隙,可能会导致饮用水中残留污染物。
多孔介质的相变
多孔介质流模块还包括量身定制的、用于模拟多孔介质中相变的接口。典型的相变现象包括冰融化成水或建筑材料中蒸汽的蒸发和冷凝。
后续操作
单击以下按钮,可以在多孔介质流动模块中找到模拟多孔介质中的质量、动量和能量传输专用功能的更多信息:
评论 (19)
Zhiyuan Li
2024-04-28请问有多孔介质内水蒸气传递的模型吗
hao huang
2024-04-29 COMSOL 员工可以参考案例:http://cn.comsol.com/model/drying-of-a-potato-sample-102411
腾飞 马
2024-05-17请问有选择透过膜的案例吗
Haoze Wang
2024-05-21 COMSOL 员工您好,建议您参考以下资料:案例“透析分离”(https://cn.comsol.com/model/separation-through-dialysis-258)和博客“通过多物理场仿真模型分析反向电渗析装置”(https://cn.comsol.com/blogs/analyzing-reverse-electrodialysis-units-with-multiphysics-modeling)
Xian Zhao
2024-06-12您好,我想模拟一下空气流过多孔介质之后的速度场,我想知道为什么修改孔隙率对速度场没有啥影响,多孔介质进出口的压降达到10的十次方量级。把孔隙率设为1后,不应该全是孔吗,为什么压降还是这么大,到底是哪里出了问题
Haoze Wang
2024-06-19 COMSOL 员工您好,请检查渗透率的设置是否相应跟随调整,在稳态达西定律求解中,真正影响流场计算的是渗透率的值。
重阳 胡
2024-06-13请问赋予一定孔隙率的多孔介质和以该孔隙率生成的堆积球体模型这两个模型是等效的吗,模型里的流动状态是不是存在很大差异
Haoze Wang
2024-06-19 COMSOL 员工您好,孔隙率仅表征了孔隙的发育程度,无法完整等效流动情况。反应多孔介质几何特性的另一个参数是渗透率,其与孔隙的几何形状、排列方向等均有关,描述多孔介质中的流动状态需要用到孔隙率和渗透率两个属性参数。
zzZZ
2024-07-20您好,在这个纸条芯吸模型中,如果我想设定左右两个壁面的温度或者热通量,需要怎么操作呢?
Haoze Wang
2024-07-29 COMSOL 员工您好,案例模型中尚无计算传热的接口,建议添加多孔介质传热接口,其中可以添加温度和热通量条件。
jian zhao
2024-08-28您好,能问一下稀物质传输物理场中浓度为什么会出现负呢?还有模拟氢气压缩机氢气传输加上多孔介质传热、达西之后为什么变化趋势很慢
越 赵
2024-08-29 COMSOL 员工您好,出现负浓度通常是因为浓度梯度大的位置网格不够密导致的,您可以参考:https://cn.comsol.com/support/knowledgebase/952。关于瞬态计算慢,可以参考:https://cn.comsol.com/blogs/strategies-to-counter-small-automatic-time-steps
旭 杨
2024-08-29请问有定量溶质传递的案例吗?例如氯化钠示踪
Yi Li
2024-09-27 COMSOL 员工暂无完全一致的案例,您可以参考:https://cn.comsol.com/blogs/predicting-solute-transport-in-groundwater-using-simulation和https://cn.comsol.com/model/electroosmotic-flow-in-porous-media-11
琳 孔
2024-09-23您好,请问模拟液体在由下而上的过程中浸润两种不同属性的多孔介质时,液体在其中一种多孔基体中浸润很快完成,在另外一个与其水平方向相连接的多孔基体中浸润速度很慢,那么浸润较快的多孔基体中的液体会横向流入到浸润较慢的多孔基体的孔隙中,这种模拟应该通过设置怎样的边界条件来完成?
Yi Li
2024-09-27 COMSOL 员工如果多孔介质之间是互相连接的,那么交接面处应该不用设置边界条件,只需要设置每个多孔域的孔隙率和渗透率等参数,当然这也和您使用的具体模型和计算方法相关,建议您联系技术支持邮箱https://cn.comsol.com/support,附上具体文件,这样我们可以更好解答您的问题。
琳 孔
2024-10-08您好,请问在纸条芯吸案例中(多孔介质多相流接口),为什么改变了多孔基体的孔隙率,模拟结果没发生变化呢?
好 黄
2024-10-08可能是出入口的边界未改变,可以查看压降是否有变化。
琳 孔
2024-10-09好的,谢谢。请问应该怎样改变出入口的边界呢?比如,其他条件保持一致,只改变多孔基体的孔隙率(由0.6改为0.8)。