A packed-bed latent heat storage tank model with the flow visualized as streamlines.

多孔介质流模块:模拟多孔介质中的质量、动量和能量传递

优化各种工业过程

“多孔介质流模块”是 COMSOL Multiphysics® 软件的一个附加模块,用于分析和优化制药、生物医学、食品和其他行业的各种工艺。该模块使用达西定律模拟多孔介质中的传递现象,包括变饱和多孔介质流动。其中还提供更高级的模型,包括用 Brinkman 方程分析的快速流动、多相传递、裂隙流或非达西流。最真实、最精确的模型提供的多物理场功能包括多孔介质中的非等温流动、多组分系统的有效属性、多孔弹性以及水分和化学物质的传递。

多孔介质流模块支持的建模对象

农业、化学、土木和核能工程师以及科研人员都需要模拟多孔介质中的各种过程,鉴于此,“多孔介质流模块”提供了一套全面的建模工具专用于这些领域的仿真分析。这些工具封装在多个物理场接口中,可用于为您要模拟的物理场类型自动建立并求解特定的方程。

多孔介质中的缓流

达西定律描述流体在完全饱和的多孔介质中通过间隙的流动,这种运动主要由压力梯度驱动,流体的剪切应力引起的动量传递可以忽略不计。您可以使用达西定律 接口计算压力,然后根据压力梯度、流体黏度和渗透率来确定速度场。

本例模拟多孔介质中的一个白色冰块,并使用带箭头的流线显示融化过程,并用桃红-白色-青色的渐变色来显示等值面。 冰在多孔介质中的融化过程

多孔介质中的急流

Brinkman 方程可用于计算多孔介质中快速流动的流体,包括驱动流动的流体速度动势、压力和重力。Brinkman 方程 接口综合了达西定律,可以计算黏性剪切引起的动能耗散,与纳维-斯托克斯方程类似。

变饱和多孔介质流动

理查兹方程描述水在部分饱和多孔介质中的运动情况,当流体流过多孔介质时会填充一些孔隙,然后从其余孔隙排出,该方程考虑了此过程中流体水力属性的变化。理查兹方程 接口包含 van Genuchten 或 Brooks-Corey 等内置的流体滞留模型,您可以根据需要进行选择。与达西定律 接口类似,该接口也只计算压力。由于水力属性随饱和度发生变化,因此理查兹方程是非线性的,如果在没有计算软件的情况下进行求解,将是一项具有挑战性的工作。

裂隙流

多孔介质中的裂隙会影响通过多孔基体的流动属性。裂隙流 接口可以根据用户定义的孔径来求解三维矩阵的内部(二维)边界上的压力。计算出的压力会自动与描述周围基体中的多孔介质流动的物理场相耦合,这是一种近似方法,可以在裂隙的网格划分过程中节省时间和计算资源。

两个并排显示的陶瓷滤水器模型,其中一个滤水器完好无损,另一个有裂隙(以洋红色显示)。 陶瓷滤水器

热湿传递

纸张、木材和其他多孔材料的热湿管理对建筑构件和消费品包装的设计起着至关重要的作用。热湿流动,层流 多物理场接口用于模拟传热和水分输送,其中流体属性可以取决于蒸汽浓度。

此外,该接口还提供多种工具用于分析表面上水的冷凝和蒸发,并提供多个专用特征用于分析热湿存储、潜热效应以及水分的扩散和传递。

多孔介质传热

多孔介质传热是通过传导、对流和弥散进行的。弥散是由液体在多孔介质中流动的曲折路径引起的,如果只分析平均对流项,则无法描述这种现象。在许多情况下,固相可以由电导率不同的多种材料组成,也可能会涉及许多不同的流体。多孔介质传热 接口可以自动分析这些因素,并提供用于计算有效传热属性的混合规则。

如果要模拟局部热非平衡,您可以使用内置的多物理场接口(相同名称),其中通过耦合实现了求解流体和多孔基体温度场的独立方程,用于分析孔隙中流-固界面的传热。

填充有石蜡的填充床潜热储罐的灰色模型,其中固相显示为蓝色,液相显示为黄色。 填充床潜热储罐中的流动
COMSOL Multiphysics 用户界面,其中显示“模型开发器”和“表面”特征设置,并在“图形”窗口中显示一个多孔微通道散热器模型。 COMSOL Multiphysics 用户界面中显示的多孔微通道散热器模型

多孔介质多相流

相传递功能可以与达西定律 接口相结合,用来模拟具有任意相数的多孔介质中的多相流。用户可以指定多孔介质属性,例如相对渗透率和各相之间的毛细压力。通过多物理场耦合,可以实现多孔介质相传递达西定律 接口的结合,从而在各相之间传递这些属性。

COMSOL Multiphysics 用户界面,其中显示“模型开发器”并打开了“二维绘图组”的“设置”窗口,“图形”窗口显示纸条芯吸模型。 COMSOL Multiphysics 用户界面中显示的纸条芯吸模型

非达西流

达西定律和 Brinkman 对达西定律的修正仅适用于孔隙中的间隙速度足够低、使蠕动流近似成立的情况。当间隙速度较高时,可以在动量方程中包含额外的非线性校正。达西定律Brinkman 方程 接口包含用于渗透率模型的非达西选项、Brinkman 方程 接口的 Forchheimer 和 Ergun 模型以及达西定律多孔介质多相流 接口的 Forchheimer、Ergun、Burke-Plummer 和 Klinkenberg 模型。

多孔弹性

压实和膨胀可以通过专用的多孔弹性物理场接口进行建模,该接口将达西定律的瞬态公式与多孔基体的线弹性材料模型进行耦合。流体流动会影响多孔介质的可压缩性,而体积应变的变化反过来又会影响动量、材料和传热。为了利用这些效应,多孔弹性 多物理场接口包含一个应力张量表达式(作为体积应变的函数)和 Biot-Willis 系数。

层流和蠕动流

为实现最大的灵活性,“多孔介质流模块”提供了自由介质和多孔介质中的流动仿真功能。层流蠕动流 接口可用于模拟雷诺数相对较低的瞬态和稳态流动。流体黏度可能取决于流体的局部组成和温度,或与流体流动组合建模的任何其他物理场。

本模块与“CFD 模块”结合使用时,可以包含非牛顿流体,例如幂律CarreauBingham。一般来说,密度、黏度和动量源可以是温度、成分、剪切速率、其他任何因变量以及因变量导数的任意函数。

COMSOL Multiphysics 用户界面,其中显示“模型开发器”、“蠕动流”接口设置,并在“图形”窗口中显示多孔结构基本单元和颗粒床反应器模型。 基本单元和颗粒床反应器模型

化学物质在多孔介质和裂隙中的传递

COMSOL Multiphysics® 仿真软件包含直观的功能,支持定义稀溶液或混合物中通过任意数量化学物质的对流、扩散、吸附和挥发进行的物质传递。这些定义很容易与可逆、不可逆和平衡反应动力学的定义联系起来。借助“多孔介质流模块”,您可以将此功能扩展到多孔介质和裂隙。

每个公司、每个仿真需求都是独特的。 为帮助您充分评估 COMSOL Multiphysics® 软件是否能满足您的需求,请联系我们。 通过与我们的销售代表进行交流,您将能得到个性化的建议和完整的案例文档,帮助您在产品评估过程中获取实用信息,并针对您的需求选择最佳的许可证。

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