1.概念介紹

許多工業應用，如過濾器、催化劑床和填料，都涉及到模擬通過多孔介質的流動。本案例為氣體通過催化轉換器的流動。催化轉換器通常用于凈化汽油和柴油發動機的所產生的廢氣，將有害環境的廢氣轉化為可接受的物質。   

                                                                                           

2.模型描述

這里的催化轉化器模型如圖所示，用于流動建模的催化轉化器幾何形狀。氮氣以125 m/s、800K的勻速通過進口，通過一對方形通道的陶瓷整體基板，從出口排出。

 

當入口和出口段中的流動為湍流時，通過基板的流動為層流，并且具有沿入口軸的慣性和粘性損失系數。基底在其他方向不可滲透。使用比主流方向高三個數量級的損失系數對該特性進行建模。

 

3.基本設置

1) 導入網格：

使用Fluent軟件打開Chapter26.msh.gz網格文件，文件在本文末尾鏈接資源內。

 

2) 修改網格單位

Domain → Mesh → Units...

 

選中length，將長度單位修改為mm。

注意：此處只是將Fluent的默認長度單位由m改為了mm，并沒有修改模型的尺寸。

 

3) 求解器設置

保持默認即可

 

 

4.設置計算模型

本例考慮多孔介質對溫度的影響，因此打開能量方程

 

 

由于N2氣體的流速125m/s非常大，流動達到了湍流，因此使用湍流模型。

 

SST k-ω模型湍流粘度考慮到了湍流剪應力的傳播。相較于標準k-ω模型，SST k-ω模型在廣泛的流動領域中有更高的精度和可信度。

 

 

 

5.材料設置

在Materials下，單擊Create/Edit...，彈出如下面板。

Materials → Create/Edit...

 

 

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

 

6.設置計算域

單擊信息樹Cell Zone Conditions，

 

選擇計算域fluid:0，雙擊fluid：0，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。

 

對fluid:1和fluid:3進行同樣的設置，將工作流體改為N2。

 

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fluid:substrate:1，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為N2，單擊Porous Zone欄，對多孔介質進行設置。

1) 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

2) Direction -1 Vector和Direction -1 Vector：

將多孔介質的主方向分別設置為z軸方向和y軸方向

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。

 

 

3) Viscous Resistance：

分別按下圖設置三個方向的粘性阻力系數和慣性阻力系數

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Du，方向2表示Dv(y方向粘性阻力系數)，方向3表示Dw(z方向粘性阻力系數)

 

 

4) Inertial Resistance：

表示慣性阻力系數，方向1表示Cu，方向2表示Cv(y方向慣性阻力系數)，方向3表示Cw(z方向慣性阻力系數)

 

對計算域fluid:substrate:2進行同樣的設置。

 

這里使用copy會更加方便

 

單擊copy按鈕，把剛才設置的計算域fluid:substrate:1復制給fluid:substrate:2。

 

From：被復制的計算域

To：要進行復制參數的計算域

 

單擊copy后，彈出下框，點擊ok即可。

 

 

 

Copy在進行邊界條件設置時同樣適用，且使用方法相同。

 

其余設置保持默認，可參照文章二十。

 

 

7.設置邊界條件

inlet：采用velocity-inlet邊界，速度為125m/s，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500，單擊OK按鈕確認。

Thermal中流體進口溫度設置為800K

 

 

 

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500，回流溫度設置為800K，單擊OK按鈕確認。

 

 

其它邊界，保持默認設置

 

8.求解方法

選擇Coupled，動量選擇二階迎風格式，勾選偽瞬態選項

 

 

監視器設置

Solution → Reports → Definitions → New → Surface Report → Mass Flow Rate

創建一個監視器，用于監控出口流量

 

 

Name名稱任意，勾選Report File、Report Plot和Print to Console。Report File表示生成一個用于存儲出口流量數據的文件，Report Plot表示窗口顯示流量曲線圖，Print to Console表示流量數據會在控制面板打印出來。

 

Solution Controls設置保持默認

 

9.初始化

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

 

對于多孔介質問題，推薦使用Standard標準化，若使用混合標準化，可能會產生不合實際的初始速度場，難以收斂。

10.計算設置

設置計算步長150步

 

11.后處理

1) 出口流量曲線圖

2) 速度矢量圖

創建面y=-425，在該面上顯示速度矢量圖

 

 

 

3) 各面的速度云圖

在XY平面上創建各個面，顯示各面的速度云圖如下。

 

4) Wall面上的靜壓分布云圖

 

文章創作不易，從建模到畫網格，再到編寫代碼、畫示意圖都是我一點點摸索出來的，一篇原創文章可能要花費很久的時間。希望對大家有用的話，能夠分享、在看、點贊支持一下。

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