多孔介质流模块

模拟多孔介质中的质量、动量和能量传递

“多孔介质流模块”是 COMSOL Multiphysics® 软件的一个附加产品,用于分析在许多自然和人工系统中发现的复杂多孔介质结构。该模块包含的功能可以基于达西定律、Brinkman 方程、理查兹方程来模拟多孔介质单相流,以及裂隙流和自由与多孔介质流动的组合。

最真实、准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。

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灰色储罐模型,其中以青色、紫色和蓝色渐变以及白色流线显示多孔介质流动。

优化各种工业过程

对高级多孔介质建模的需求涉及许多行业和应用,例如制药和食品行业。“多孔介质流模块”可以帮助农业、化学、民用和核工程师以及各行各业的科研人员分析多孔介质流动,并优化其设计和工艺。

在对纳米材料、多孔反应器、电子元件冷却和大规模岩土工程应用进行建模时,可以使用仿真来捕捉多孔介质对传递过程的影响。COMSOL Multiphysics® 提供一套全面的建模工具,它们封装在物理场接口中,可以为您要模拟的多孔介质流动类型自动建立特定的方程并进行求解。

多孔介质流模块的特征和功能

“多孔介质流模块”提供专用的特征和功能,用于分析多孔介质中的各种过程。

“模型开发器”特写视图,其中突出显示“多层达西定律”接口,并显示生成的多孔薄层模型的压力图。

多孔介质中的缓流

达西定律描述流体在压力梯度驱动下,在完全饱和的多孔介质中通过间隙的流动,其中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。多层达西定律 接口可用于模拟流体通过多层多孔介质(如纸板、复合材料或胶合板)间隙的流动。

“模型开发器”特写视图,其中突出显示“理查兹方程模型”节点,“图形”窗口中显示快速检测试纸。

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,并从一些孔隙排出,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 等内置的流体保留模型,您可以根据需要进行选择。与达西定律 接口类似,本接口也只计算压力。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。

“模型开发器”特写视图,其中“流体和裂隙属性”节点处于选中状态,“图形”窗口中显示陶瓷滤水器模型。

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基体内部的(二维)边界上的压力,并将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。

“多孔介质多相流”设置的特写视图,其中展开了“耦合接口”栏,“图形”窗口中显示晶体模型。

多孔介质多相流

相传递功能可以与达西定律 接口相结合,用来模拟具有任意数量相态的多孔介质多相流。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。

“模型开发器”特写视图,其中突出显示“多孔弹性”节点,“图形”窗口中显示彩虹色的分支井模型。

多孔弹性

固结和膨胀可以通过专用的多孔弹性物理场接口,通过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来进行建模。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。此外,还提供多孔弹性,多层壳 多物理场接口,可以对每层具有不同材料属性的多层域(纸板、复合材料等)进行建模。

“模型开发器”特写视图,其中“传递属性”接口处于选中状态,“图形”窗口中显示多孔反应器模型。

多孔介质和裂隙中的化学物质传递

COMSOL Multiphysics® 仿真软件包含直观的功能,用于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、弥散、吸附和挥发进行的物质传递。通过将“多孔介质流模块”与化学反应工程模块相结合,可以轻松地将它们与可逆、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。

“模型开发器”特写视图,其中“Brinkman 方程”接口处于选中状态,“图形”窗口中显示彩虹色多孔介质模型。

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,其中驱动流动的因素是流体速度动势、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。

“流体和基体属性”设置的特写视图,以及显示填充床潜热储罐的“图形”窗口。

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。

“模型开发器”特写视图,顶部显示橙色和黄色的矩形模型,左上部为品质因数图。

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,固相可以由传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。为了对局部热非平衡进行建模,您可以使用内置的技术,将流体和多孔基体温度场的各个方程相耦合,以分析孔隙中流-固界面的传热。

“热湿”设置的特写视图,其中展开了“耦合接口”栏,“图形”窗口中显示木框架模型。

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 多物理场接口用于模拟传热和水分输送,其中流体属性可能与蒸汽浓度相关。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储存、潜热效应以及水分的扩散和传递。

“模型开发器”特写视图,其中突出显示“蠕动流”节点,以及两个蠕动流和多孔介质流模型的一部分。

层流和蠕动流

为了实现最大的灵活性,“多孔介质流模块”提供了专用的功能来模拟自由介质和多孔介质中的流动。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,其中流体黏度可以取决于流体的局部组成和温度,或与流体流动耦合建模的任何其他物理场。

“流体和基体属性”设置的特写视图,其中展开了相应的栏,“图形”窗口中显示一维绘图。

高级自由流动选项

通过将“多孔介质流模块”与 CFD 模块聚合物流动模块耦合,可以在多孔介质流动建模中包含非牛顿流体,例如幂律CarreauBingham 流体。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。此外,通过耦合使用“CFD 模块”,您还可以将多孔介质中的快速流动与自由湍流进行耦合分析。

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