每页:
搜索

计算流体力学 (CFD) 博客文章

多孔介质中的热平衡与热非平衡传热

2020年 3月 3日

由于具有适用性强、低成本和特殊的热性能等特点,多孔材料的应用范围越来越广泛。例如,因具有优异的机械和热性能,泡沫材料越来越多地用于不同的航空应用。在电动汽车所用的电池中也发现了多孔结构。我们甚至在自然界中发现了无数多孔材料,例如土壤,岩石和木材。当使用它们时,我们会利用它们的热性能。多孔材料的许多工业应用均要求它们具有优良的热性能。 微观层面的热传递 让我们从微观层面上仔细研究多孔结构中的热传递。正如我们之前的博客文章中所讨论的,我们使用这些发现来验证和理解宏观层面的流动方程。在该示例中,流动是等温的,因此我们不研究孔隙几何结构在热传输中的意义。由于流体的热性能可能与固体的性质显著不同,因此,它们之间的相互作用对于理解热传递如何在多孔介质中工作至关重要。   一个冷却的多孔结构的温度演变过程。初始局部不平衡会随时间达到热平衡。 使用与之前的博客文章中相同的示例,并注入比多孔基质热得多的流体。我们观察到,多孔基质 T\textrm{s} 和流体的温度 T\textrm{f} 最初不相同,并且随着时间变化逐渐达到平衡。当然,这取决于边界条件以及流体和固体的热性质。在许多应用中,该假设 T\textrm{s}=T\textrm{f} 是有效的,我们称其为(局部)热平衡;而在其他应用中,该假设是无效的,我们称其为(局部)热非平衡T\textrm{s}\neq T\textrm{f} “局部”是指温度T\textrm{f} 和 T\textrm{s}的逐点比较。 热平衡下的热传递 在局部热平衡假设下,我们只需要一个方程来描述整个(固体和流体)多孔结构的平均温度。基于能量守恒以及应用混合规则,热传递方程式可以表达为 (1) \left(\rho Cp\right)\textrm{eff}\frac{\partial T}{\partial t}+\rho\textrm{f} C{p,\textrm{f}} \mathbf{u}\cdot\nabla T+\nabla\cdot(-k\textrm{eff}\nabla T)=Q 显然,这与众所周知的传热方程式非常相似。流体和多孔介质的热特性被组合为有效特性,即有效体积热容和有效导热率。 \left(\rho Cp\right)\textrm{eff}=\theta\textrm{p}\rho\textrm{s}C{p,\textrm{s}}+\theta\textrm{f}\rho\textrm{f}C{p,\textrm{f}} 式中,指数\textrm{f}和 \textrm{s}分别代表流体和固体, \rho 是密度 Cp 为恒压下的热容,\theta\textrm{s} 为固体体积分数。假设为完全饱和的多孔介质,孔隙率将对应于流体体积分数 \theta\textrm{f} =1-\theta\textrm{s}。 对于热传导,有效的热导率 k\textrm{eff} 取决于多孔介质的结构以及固体和流体的热导率。该软件提供了三个选项来计算有效导热率k\textrm{eff} : 体积平均值,代表与热通量平行的固体和流体条纹 k\textrm{eff}=\theta\textrm{s} k\textrm{s} + \theta\textrm{f} k\textrm{f} 倒数平均值,垂直于热通量的固体和流体条纹 \frac{1}{k\textrm{eff}}=\frac{\theta\textrm{s}}{k\textrm{s}} + \frac{ \theta\textrm{f}}{k\textrm{f}} 幂定律,对于固体和流体具有相似热导率的随机几何k\textrm{eff}=k\textrm{s}^{\theta\textrm{p} }\cdot k\textrm{f}^{\theta\textrm{f}} 下面,我们通过使用多孔材料的人工示例来说明这三种平均技术,并将不同选项的结果与计算值进行比较。 使用不同有效导热系数选项计算的平均温度比较。从左至右:固体(灰色)和液体(蓝色)材料分别以并行,平行和格纹的方式排列。热通量是由上下边界之间的规定温差产生的。 上述图示表明,结构越精细,由倒数平均值和幂定律计算的近似值越好。真正的有效导热系数介于体积平均值和倒数平均值之间,根据 混合物的规则,分别对应上限和下限。如果对流是主要作用,那么混合规则对热导率的作用就不那么重要了。 多孔材料也可以由几种固体和不流动的流体组成。例如,由不同矿物质和截留的液体组成的岩石。也可以在模型中考虑这一点,有效材料属性也相应地被计算。例如,可根据k\textrm{s}=\displaystyle\sum{i=1}\theta{\textrm{p}i}k{\textrm{s}i}来计算由 i 种不同材料组成的多孔基质的体积平均导热率。 热分散 热分散是与多孔微结构有关的另一个重要作用。通常,对于以对流为主的状态,流体在孔隙尺度上遵循旋涡状路径,从而增强了固相和液相之间的热交换。宏观上,这是通过对热传递方程式 (等式1), k\textrm{disp}=\rho\textrm{f} C{p,\textrm{f}} D{ij}有贡献的附加热导率来描述的, 其中D_{ij} 是由于快速速度场而导致的分散张量。 我们将计算结果与之前博客文章中示例的平均温度结果相比较。下图显示了通过微尺度方法计算出的平均温度,以及从具有和不具有热分散的平均宏观方程式中获得的值。 微观和宏观方法的平均温度比较。包括热分散时,会更好地匹配。 热非平衡下的热传递 如本篇博客文章开头所述,局部热平衡并不总是能达到的。特别的,对于快速的非等温流动,较短的时间尺度,或在强烈依赖于其他影响(例如相变)的情况下,固体和流体温度之间的差异可能很大。此时 等式 1 并不完全有效,必须分别考虑各相的能量平衡,并且必须以显式方式考虑两相之间的热交换。这是通过两个温度模型完成的。局部热非平衡方法 方法 […]

通过流体动力学研究煎饼制作的最佳方法

2019年 11月 6日

对于物理学家来说,随时随地都可以寻求设计和技术的灵感。对于一个饥饿的物理学家而言,灵感可以在进餐时迸发出来。举一个很好的例子:一个经验丰富的厨师很容易用一种烹饪方法来制作煎饼,但对于一个家庭厨师来说,制作煎饼就会带来挫败感。在寻找怎样制作出完美煎饼的过程中,两名研究人员使用模拟方法来研究是否可以更好地烹饪这道经典美食……

在 COMSOL® 中构建磁流体动力学多物理场模型

2019年 6月 19日

COMSOL Multiphysics® 软件中的模型都是从零开始构建的,软件支持多物理场,因此用户可以按照自己的意愿轻松地组合代表不同物理场现象的模型。有时这可以通过使用软件的内置功能来实现,但有些情况下,用户需要做一些额外的工作。我们以构建磁流体动力学(MHD)模型为例介绍一下这个工作流程。

COMSOL®中声固耦合的建模

2019年 6月 12日

声固耦合(ASI)问题要求对固体中的弹性波,流体中的压力波以及两者之间的相互作用进行建模。ASI的使用包括有声音的产生,发散,传播或接收的设备,以及用于声音的分配、隔音或消除噪声的机械系统。对这些声学系统的研究通常涉及流体和固体两部分,并且可以预测其中波的行迹,而捕捉波在流体-固体分界面处的行为尤为重要。本文,我们将讨论如何使用COMSOL Multiphysics®软件来解决ASI问题。

使用 COMSOL Multiphysics® 优化 PID 控制器性能

2019年 6月 11日

想象一下,你正在公路旅行,以每小时 60 英里的速度在公路上行驶。为了保持这个速度,你决定打开巡航控制。毕竟你正在度假——为什么不让汽车替你干活呢?无论你是上坡还是下坡,汽车都会对速度变化做出反应,自动加速或减速。这种过程控制归功于比例-积分-微分(PID)控制器。通过仿真,工程技术人员可以优化这种控制装置。

熵捕获中的DNA快速分离过程模拟

2019年 5月 9日

在调查犯罪时,法医专家有时会使用DNA证据来识别犯罪嫌疑人。然而,DNA不仅包含识别信息,还有我们基因构成的线索。DNA分离可以用来深入研究DNA链,但是传统方法很耗时。为了加快DNA的分离,密苏里科技大学的研究人员使用了COMSOL Multiphysics®软件。

使用 COMSOL 软件预测和优化产品性能

2019年 3月 11日

在当今市场中,取得成功意味着既要开发出正常运行的可靠产品,又要在合适的时间推出。与许多其他公司一样,Veryst Engineering 发现仿真是一种有效的工具,可以在原型制作或制造之前研究产品内部,确保设计符合规范。要做到这一点,必须使仿真与现实世界相匹配,同时理解材料特性也至关重要。然而,并非所有材料的特性都是可预测的。

仿真 App 助力 ABB 牵引电机公司实现数字化

2019年 2月 26日

工业 4.0 和数字孪生是我们每天听到的流行语。一个公司如何在这方面发展,COMSOL 如何在新时代发挥作用呢?本文我们将探讨一个用户的成功案例:ABB 牵引电机公司将仿真 App 用于电机设计来实现大规模定制。通过将高保真多物理场模型转化为仿真 App,ABB 公司计划为产品设计和销售等多个部门提供新的分析功能。


第一页
上一页
1–8 of 70
浏览 COMSOL 博客