多孔介质流模块

COMSOL Multiphysics® 5.5 版本添加了新的“多孔介质流模块”。借助这个附加模块,您可以对多孔介质中的质量、动量和能量传递进行建模。

多孔介质流模块概述

许多自然和人工系统中都存在多孔介质,因此,对高级多孔介质建模的需求已成为许多行业发展的关键,例如燃料电池、纸浆和纸张干燥、食品生产、过滤过程,等等。“多孔介质流模块”将 COMSOL Multiphysics® 建模环境扩展到定量研究多孔介质中的质量、动量和能量传递,应用领域涵盖从基于达西定律的传统多孔介质流动,到非达西流动和多物理场流动分析,包括传热效应、化工等。

正常工作的滤水器和破裂滤水器中的氯浓度显示了污染结果。 功能齐全但破裂的滤水器 陶瓷滤水器滤棒中的污染物浓度(左:未损坏的滤水器,右:损坏的滤水器)。

多孔介质流模块功能

流动模型

“多孔介质流模块”包含基于达西定律、Brinkman 方程以及自由和多孔介质流动组合的多孔介质单相流建模功能。多孔介质中的裂隙可以控制流动,裂隙流专用接口支持与任何多孔介质流动模型结合使用。软件提供稳态和瞬态两种分析类型。

多相流

多相流功能包括多个不混溶相通过多孔介质的传输,并求解平均相体积分数。对于可变饱和的多孔介质,用户可以使用基于理查兹方程的非线性流动选项来分析各种介质,其中,随着流体流过多孔介质时会填充一些孔隙并从其余孔隙排出,水力属性会有所变化。

多物理场

多物理场功能支持与传热、化工和结构分析相结合。与传热结合使用时,软件提供相关选项用于计算多孔介质中的非等温流动和有效热属性。多孔介质传热可以与消费电子产品、包装材料和建筑物理等应用中的水分输送结合使用。

不仅如此,该模块还可处理化学物质在自由流动、饱和及部分饱和多孔介质中的传输,可用于研究气体或液体流过多孔介质空隙时的流动和化学成分。除了多孔介质区域外,流动系统还可以包含自由流动区域。

为了分析多孔材料中的弹性效应,新版本添加了一个专门的多孔弹性多物理场接口,可以将达西定律的瞬态公式与固体力学的准静态公式相结合。达西定律 接口中的孔隙压力充当结构分析的载荷,从而引起膨胀或收缩。体积应变的变化会影响孔隙空间,后者充当达西定律流动模型的质量源或汇。

用于热能储存的填充床罐中的液相浓度。 填充床潜热储罐模型 热能储存 (TES) 装置用于收集来自太阳能、地热或废热源的热能。本例模拟为 TES 装置充电时,相变传热和局部热非平衡的影响。

水分输送接口的总体改进

空气中的水分输送 接口添加了一个新的浓物质 公式,用于模拟蒸汽含量较高时,蒸汽在空气中的对流和扩散。当高温下的相对湿度适中或较高时,通常会出现这种情况。在这些条件下,由于蒸汽浓度梯度的影响,湿空气密度在空间和时间上可能会发生明显的变化,此时应使用新的浓物质 公式代替默认公式。

除此之外,物理场接口也得到了改进,现在支持相对湿度大于 1 的过饱和条件。当充满饱和水蒸气的热流迅速冷却时,就会发生这种情况。最后,各种水分输送、热湿和水分流动接口的默认求解器设置均已更新,现在能够以更快的速度提供更稳定的计算性能。

COMSOL Multiphysics 5.5 版本中“空气中的水分输送”接口的设置,显示了新的浓物质混合物类型。 “空气中的水分输送”接口设置 您现在可以在 水分输送接口中选择 浓物质作为湿空气混合物类型。

新的教学案例

“多孔介质流模块”包含多个教学案例。

填充床潜热存储
填充床潜热储罐中的液相浓度。 填充床潜热储罐中的热能储存 热能储存 (TES) 装置用于收集来自太阳能、地热或废热源的热能。本例模拟为 TES 装置充电时,相变传热和局部热非平衡的影响。

“案例库”标题:
packed_bed_latent_heat_storage

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多孔微通道散热器的性能
用于确定微通道散热器中多孔基板最佳厚度的参数化研究结果。 多孔微通道散热器的品质因数 微通道散热器通过包含多孔基板(棕色)来提高传热系数。品质因数图显示了最佳构型。

“案例库”标题:
performance_of_a_porous_microchannel_heat_sink

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冻土夹杂物
冰块上的流体流动,等值面表明部分冰块已融化成水。 冻结块升温后液态水饱和 周围多孔介质中的热传导和对流使初始冻结块逐渐降解,九个小时后,液态水饱和。等值面显示温度,其余的冰显示为白色。流线表示流体速度场。

“案例库”标题:
frozen_inclusion

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纸条芯吸现象
受到毛细力作用的纸条中的液相浓度。 纸条芯吸现象 干燥的多孔材料与流体接触时,会发生芯吸现象;由于存在毛细力,多孔材料会吸收流体。吸收过程会一直持续到重力与毛细力平衡为止。

“案例库”标题:
wicking_in_a_paper_strip

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