多孔介质流模块简介

拥有一种先进的多孔介质仿真技术是许多行业的刚性需求。自 COMSOL Multiphysics^® 软件 5.5 版本起推出的附加产品多孔介质流模块可以满足用户的这一需求：定量研究多孔介质中的质量、动量和能量传递，其应用领域包括燃料电池、纸浆和纸张干燥、食品生产和过滤等。

多孔介质流仿真

在诸如化学工程、土木工程和核工程等众多工程领域中，模拟多孔介质中的质量、动量和能量流动十分常见。多孔介质流模块提供了一套全面的物理场接口，旨在帮助工程师和科研人员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。

借助多孔介质流模块，采矿、生物医学和食品工业等许多不同行业的工程师能够在用户友好的建模环境中分析和优化其工作流程。例如，多孔介质中的多相输运等问题可以通过完整的多物理场方法进行求解。

用户使用多孔介质流模块的多物理场功能可以计算：

• 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

接下来，让我们详细了解这些应用领域中的一些问题……

多孔介质中的多相传递

多孔介质流模块包括可以模拟多孔介质中两相或任意多相流动。用户可以指定不同相间的相对渗透率和毛细压强等多孔介质属性，模拟多孔介质中的芯吸、水分输运或其他传递现象。

纸条芯吸模型（一种多孔介质）的模拟结果。

当干燥的纸条与液体接触时，由于纸条将在毛细管力的作用下吸收液体，吸收过程将一直持续到重力与毛细压力平衡。在此示例中，水和空气两种相通过 达西定律 和 多孔介质相传递 接口的耦合相互作用。

多孔介质中的非达西流

在之前的博客中，我们讨论了包括达西定律 和 Brinkman 方程 接口在内的，可用于模拟饱和及变饱和多孔介质中的流动的物理场接口。

达西定律适用于模拟孔隙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流体的速度场与压力梯度存在非线性关系的非达西流体。

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，Brinkman 方程的 Forchheimer 和 Ergun 模型。

多孔介质传热的局部热平衡和非平衡

多孔介质中的热量传递可能包含由 传导、对流和弥散等引起，并且必须考虑固相和液相的不同的热属性。使用多孔介质流模块，可以采用两种方法来模拟多孔结构中的热量传递：

1. 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。
2. 局部热非平衡（LTNE），其中固相和液相定义了不同的能量方程，因此需要考虑流-固界面的温差导致的传热效应。

填充床潜热存储模型包含相变效应和局部热非平衡。

多孔介质中的裂隙流动

对于化学、土木和核工程师而言，模拟裂隙多孔介质中的质量、动量和能量传递现象具有重要意义。多孔介质流模块包括用于模拟多孔介质几何内部边界上压力、温度和化学物质传递的物理场接口。这种近似方法避免了对具有厚度的实际裂隙进行网格划分，以及由此产生的计算资源消耗。

活性炭芯陶瓷滤水器模型的模拟结果。

陶瓷滤水器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，而活性炭可以去除重金属和氯。如果陶瓷芯中存在裂隙，就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一个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。

下一步

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