1 概念介紹

多孔介質就是固體物質內部和表面有許多孔隙，如海綿等，由固體物質組成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所構成的物質。多孔介質內的流體以滲流方式運動。

 

Fluent自帶多孔介質模型，對于多孔介質的模擬，不考慮流體在多孔介質內部的流動，只考慮多孔介質對于流動阻力及能量方程產生的影響。

                        

2 模型描述

本例的模型如圖所示。模型有一個進口和一個出口，入口氣流流速為22.6m/s，中間經過多孔介質區域，出口壓力為0，最后經OUTLET流出。

 

3 導入網格

使用Workbench打開工程文件，文件在本文末尾鏈接資源內。

 

4 Scale網格尺寸

Scale修改網格尺寸。如圖所示。

 

確保計算域尺寸是我們所需要的。

 

5 設置求解器

選擇壓力基(pressure-based)求解器，同時選擇穩態模擬。

 

6  設置計算模型

本例空氣進口流速較大為22.6m/s，因此湍流模型選擇為Standard k-e湍流模型，標準壁面函數。

Standard k-e湍流模型具有高穩定性、經濟性及精確性，應用最為廣泛，但對于旋流等問題精確性較差。

 

不考慮能量方程，因此能量方程保持關閉

 

 

7  材料設置

在Materials下，雙擊air材料，彈出如下面板。

 

單擊Fluent Database，選擇nitrogen（N2），單擊copy，然后單擊close，N2材料添加成功

 

8 設置計算域

單擊信息樹Cell Zone Conditions，出現兩個計算域分別為fluid和substrate(想要出現多個計算域，需要在建模和畫網格時進行一定的設置)

雙擊Fluid，彈出流體域設置對話框，將Material Name改為nitrogen，即將工作流體改為N₂而不再是空氣，其他設置保持默認。

 

接下來就是多孔介質的設置了，多孔介質設置只需要在計算域進行設置即可，我們進行較為詳細的講解

 

雙擊substrate，彈出流體域設置對話框，勾選Porous Zone表明這部分計算域為多孔介質區域。

 

將Material Name改為nitrogen，表示多孔介質中的流體也為N₂，由于不考慮能量方向，因此不必指定固體域材料

 

Laminar Zone：勾選Laminar Zone表明在多孔介質區域中抑制湍流的產生：

如果不勾選，多孔介質區域的固體邊界仿佛對湍流的產生和耗散沒有影響，這個假定只有在滲透性很大并且多孔介質的幾何尺度對湍流渦旋的幾何尺度沒有影響的情況下可行

  

選擇Porous Zone，出現許多設置，接下來我們一一說明

Direction -1 Vector和Direction -1 Vector：

多孔介質分為各向同性多孔介質，指的是多孔介質各個方向的阻力相同。各向異性指各個方向阻力不同，有的方向流體容易通過，有的方向流體很難通過。

 

若多孔介質為各向同性，此設置無意義。但若為各向異性，則方向1矢量表示多孔介質的第一個主方向為x方向，方向2矢量表示多孔介質的第二個主方向為y方向，第三個方向與這兩個方向垂直，不必指定。

 

Relative Velocity Resistance Formulation：

當坐標系未旋轉坐標系或者動網格時，此選項勾選才有意義。表示計算阻力是否按照相對速度計算。若不是動網格，則勾選無意義。

 

Viscous Resistance：

多孔介質模型主要是對流動阻力產生影響，因此其會在動量方程中添加動量源項來充當阻力。

x方向上的動量源項為下圖，第一項為粘性損失項，第二項為慣性損失項。y方向和z方向同理，當為各向異性時，各方向上的粘性阻力系數可互不相同，慣性阻力系數也可不同。

 

Viscous Resistance表示粘性阻力系數，方向1表示D_u，方向2表示D_v(y方向粘性阻力系數)，方向3表示D_w(z方向粘性阻力系數)

 

 

Inertial Resistance：

表示慣性阻力系數，方向1表示C_u，方向2表示C_v(y方向慣性阻力系數)，方向3表示C_w(z方向慣性阻力系數)

 

Alternative Formulation：

當多孔介質為各向異性時，第一個方向的阻力系數與第二個方向阻力系數數量級上差距較大時，會引起收斂問題，勾選此選項可加快收斂。

 

Fluid Porosity：

孔隙率，表示流體所占據的體積分數，影響動量和能量方程

 

9 設置邊界條件

inlet：采用velocity-inlet邊界，速度為22.6m/s，在 Turbulence中的 Specification Method中選擇 Intensity and Hydraulic Diameter，在 Turbulent Intensity中填入10，在 Hydraulic Diameter中填入42，單擊OK按鈕確認。

 

outlet：設置為pressure-outlet，在 Turbulence中的 Specification Method中選擇 Intensity and Hydraulic Diameter，在 Turbulent Intensity中填入5，在 Hydraulic Diameter中填入42，單擊OK按鈕確認。

 

 

wall和substrate-wall：wall邊界，保持默認設置

Porous-in和porous-out：interior

 

10 求解方法

選擇Coupled，Gradient欄選擇Green-Gauss Cell Based，動量選擇二階迎風格式，勾選偽瞬態選項

 

Solution Controls設置保持默認

 

11 初始化

選擇標準初始化，Compute From選擇inlet，單擊Initialize，完成初始化

 

12 計算設置

設置計算步長100步

 

13 后處理

速度云圖，選擇y=0面顯示速度云圖

 

通過速度云圖，我們發現，當流體運動到多孔介質時，流體速度明顯降低，這是因為多孔介質產生阻力的原因

 

 

選擇x=130、165、95等面顯示速度云圖（關于這些面的創建，我們以后會專門講解）

 

 

若不勾選多孔介質區域，則速度云圖如下

 

 

源文件鏈接：

鏈接：https://pan.baidu.com/s/11xlPAHt3lkiqKJossqHwvQ

提取碼：xz1n 

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