abaqus模擬多孔介質(zhì)的案例
ABAQUS模擬多孔介質(zhì)流體流動(dòng)之地層排水固結(jié)
ABAQUS有限元軟件 soil模塊可模擬計(jì)算多孔介質(zhì)中流體流動(dòng)這種滲流應(yīng)力耦合問(wèn)題，其是通過(guò)將介質(zhì)視為多相材料并采用有效應(yīng)力原理來(lái)描述其力學(xué)行為來(lái)對(duì)多孔介質(zhì)進(jìn)行建模。提供的多孔介質(zhì)模型考慮介質(zhì)中兩種流體的存在。一種是“潤(rùn)濕液體”，它被認(rèn)為是相對(duì)（但不是完全）不可壓縮的。另一種是相對(duì)可壓縮的氣體。當(dāng)介質(zhì)部分飽和時(shí)，兩種流體都存在于一個(gè)點(diǎn)上；當(dāng)完全飽和時(shí)，完全充滿潤(rùn)濕液體。單元體積由一定體積的固體物質(zhì)、一定量的孔隙和一定體積的潤(rùn)濕液體構(gòu)成，如果被壓差驅(qū)動(dòng)則可以自由地通過(guò)介質(zhì)。ABAQUS軟件就是通過(guò)將有限元網(wǎng)格附著到固相來(lái)模擬多孔介質(zhì)，流體可以流過(guò)這個(gè)網(wǎng)格。其中模型的力學(xué)機(jī)理是基于有效應(yīng)力原理，不再贅述，其中流體流動(dòng)默認(rèn)為為達(dá)西滲流。
孔隙流體的滲流行為遵循Darcy定律或Forchheimer定律，Darcy定律一般適用于低滲流流速，是線性關(guān)系而Forchheimer定律是非線性定律，主要模擬更高流動(dòng)速度的情況，Darcy定律可以認(rèn)為是Forchheimer定律的特例。Darcy定律用于表述為層流條件下通過(guò)多孔介質(zhì)的滲流速度與水力梯度滿足線性關(guān)系，在一維條件下有：
為平均滲流速度，Q為流量，A為過(guò)水面積，k為滲透系數(shù)，H為測(cè)壓水頭，z是某指定參考面之上的高度。
模擬示例之地層排水固結(jié)
（1）幾何模型：
圖1
（2）模擬材料：
*Material, name=ROCK
*Density
2500,
*Permeability, specific=10000,DEPENDENCIES=1
XXXXXXXXX
*Depvar
3,
*Elastic
2.3e+09, 0.2
*User Defined Field
*Mohr Coulomb
27.,0.
展開(kāi) 多孔介質(zhì)干燥模擬 ￥1000
<p>本案例建立了一Mushroom二維模型，基于COMSOL軟件的多個(gè)物理場(chǎng)模塊：動(dòng)網(wǎng)格，湍流流動(dòng)，流體傳熱，水蒸氣和液態(tài)水兩個(gè)稀物質(zhì)傳遞，固體力學(xué)接口，模擬了Mushroom多孔介質(zhì)的流動(dòng)干燥、水分蒸發(fā)和收縮變形過(guò)程。
多孔介質(zhì)中的滲漏模擬 ￥198
提供多孔介質(zhì)中滲漏模擬的案例，可模擬某相物質(zhì)在多孔介質(zhì)（含另一相）的滲漏過(guò)程，具體鏈接附后：
FLuent 模擬多孔介質(zhì)流動(dòng)
10 Modeling-Flow-Through-Porous-Media.pdf
如文檔介紹
案例文件：
10 Modeling-Flow-Through-Porous-Media.zip
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模擬多孔介質(zhì)中不同的流體流動(dòng)
從大規(guī)模的地質(zhì)區(qū)域到納米尺度的結(jié)構(gòu)，多孔材料的流動(dòng)發(fā)生在所有長(zhǎng)度尺度上。雖然達(dá)西定律已經(jīng)涵蓋了許多應(yīng)用，但是在工業(yè)應(yīng)用中，速度場(chǎng)和壓力梯度之間的關(guān)系不再是線性的，達(dá)西定律不能提供準(zhǔn)確的結(jié)果。在這篇文章中，我們將更深入的研究多孔介質(zhì)中可能出現(xiàn)的不同流動(dòng)狀態(tài)，以及如何描述它們。
在微觀尺度上模擬多孔介質(zhì)中的流動(dòng)
為了更深入地理解流經(jīng)多孔材料中的流動(dòng)特征，有必要仔細(xì)研究它的微觀結(jié)構(gòu)。這樣我們不僅能更深入的理解多孔材料，也有信心使用宏觀方法來(lái)模擬多孔材料中的流動(dòng)。
下面的動(dòng)畫(huà)顯示了一個(gè)大小為 2 cm × 2 cm × 6 cm 的復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)，以及使用線性納維-斯托克斯方程計(jì)算的流型。
小型多孔塊中的流型。
這些多孔塊中包含低流速和高流速的區(qū)域，也包含根本不發(fā)生流動(dòng)的區(qū)域。即使結(jié)構(gòu)是不規(guī)則的，當(dāng)放大另一個(gè)位置的相同多孔結(jié)構(gòu)樣品時(shí)，其流動(dòng)特性也是相同的。因此，這被稱(chēng)為 代表性單元體積（REV）。對(duì)代表性單元體積進(jìn)行平均可以得到宏觀方程，詳見(jiàn)下一節(jié)內(nèi)容。
為了表征流動(dòng)并獲得有關(guān)宏觀方程的信息，下面幾個(gè)數(shù)值很重要：
孔隙率 ，描述了孔隙體積與總體積的比率，可以從幾何形狀計(jì)算
沿流動(dòng)方向（縱向）下降的壓力 ，可以計(jì)算或預(yù)定義
表觀速度 ，或通過(guò)結(jié)構(gòu)的體積流量 (m3/s)，除以總橫截面積 (m2 )
宏觀尺度的流動(dòng)
達(dá)西定律是描述多孔材料流動(dòng)的基本定律，它最初只是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)定律，后來(lái)在理論上由納維-斯托克斯方程推導(dǎo)出來(lái)。它描述了速度場(chǎng) (m/s)與壓力梯度 （Pa）之間的線性關(guān)系。
(1)
其中，(m2) 是多孔介質(zhì)的滲透率， (Pa·s) 是流體的動(dòng)力黏度。
展開(kāi) 利用MS模擬天然氣（甲烷）在多孔介質(zhì)中的吸附
天然氣由氣態(tài)低分子烴和非烴氣體混合組成，主要成分烷烴，其中甲烷占絕大多數(shù)，因此，本教程采用甲烷代表天然氣模擬多孔介質(zhì)中的吸附。模型建立：CH4：打開(kāi)建立的Project，從菜單欄中選擇 File|Import... 點(diǎn)擊 Import 按鈕打開(kāi) Import Document 對(duì)話框，選擇Structures/organics 然后選擇 methane.msi，最后點(diǎn)擊 Open 按鈕。
石英：右鍵后點(diǎn)擊Import，然后選擇Structure，進(jìn)入metal-oxides文件夾；在metal-oxides文件夾中找到并打開(kāi)SiO2_quartz.msi文件
得到石英原胞如圖所示，
具有原胞后可對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行超胞化和截面，如圖點(diǎn)擊Build—Symmetry—Supercell：
彈出Supercell設(shè)置會(huì)話框，根據(jù)需要自行設(shè)置三個(gè)方向大小，這里以3×3×3進(jìn)行觀察，點(diǎn)擊Create Supercell完成超胞化
接著如圖點(diǎn)擊Build—Surfaces—Cleave Surface進(jìn)行截面設(shè)置，彈出的Cleave Surface會(huì)話框里進(jìn)行面選擇、截面結(jié)構(gòu)起始、厚度等設(shè)置，Cleave plane（h k l）按照自己需要或者文獻(xiàn)設(shè)置，這里設(shè)為（1 0 0）；Top 是從什么位置開(kāi)始截面；Thickness為截面結(jié)構(gòu)的厚度，這里設(shè)置為兩層厚；
截面后的結(jié)構(gòu)只在U、V方向上可以繼續(xù)進(jìn)行超胞化
截面并超胞化的片層可以用于建層結(jié)構(gòu)，如圖點(diǎn)擊Build—Build Layers
在Layer1和Layer2的Source documents框中選擇上面的片層結(jié)構(gòu)
在Layer Details里可以設(shè)置層間距和方向
設(shè)置完成后點(diǎn)擊Build得到精確的狹縫模型。
展開(kāi) 基于多孔介質(zhì)模型的鉀熱管數(shù)值模擬 ￥300
為研究鉀熱管內(nèi)傳熱傳質(zhì)機(jī)理，對(duì)鉀熱管進(jìn)行了數(shù)值模擬。建立了固液氣三相耦合數(shù)學(xué)模型。其中對(duì)吸液芯液體流動(dòng)區(qū)域采用了多孔介質(zhì)模型，該模型考慮了液體流動(dòng)對(duì)熱管傳熱性能的影響。利 用ＰＨＯＥＮＩＣＳ３．６對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到了熱管內(nèi)的穩(wěn)態(tài)工作參數(shù)。分析模擬結(jié)果得到了鉀熱管內(nèi)部各相工質(zhì)傳熱、傳質(zhì)機(jī)理，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合較好。
【文獻(xiàn)講解】基于多孔介質(zhì)模型的鉀熱管數(shù)值模擬
基于多孔介質(zhì)模型的鉀熱管數(shù)值模擬_韓冶(2).pdf
本案例模型及相關(guān)操作見(jiàn)附件、收費(fèi)內(nèi)容部分，凡購(gòu)買(mǎi)本案例的朋友，結(jié)合附件中的模型（聯(lián)系我方可獲取）及相關(guān)操作說(shuō)明在仿真操作上還有什么疑問(wèn)，請(qǐng)與我溝通交流。
展開(kāi) 相場(chǎng)方法模擬多孔介質(zhì)中的驅(qū)替 ￥248
提供采用相場(chǎng)方法模擬多孔介質(zhì)中驅(qū)替的算例，可在此基礎(chǔ)上學(xué)會(huì)多孔介質(zhì)中的驅(qū)替模擬，得到水驅(qū)油（或其他兩相）后多孔介質(zhì)中的殘余油分布，計(jì)算采出程度隨時(shí)間的變化關(guān)系。附圖中分別給出了多孔介質(zhì)為水濕和油濕條件下，多孔介質(zhì)中的殘余油分布，案例鏈接附后。
模擬多孔介質(zhì)中不同的流體流動(dòng)
Klinkenberg 參數(shù) (Pa) 取決于多孔介質(zhì)的滲透率，我們可以在文獻(xiàn)中查到 。
COMSOL 中的多孔介質(zhì)流模塊包含了所有上述滲透率模型。Forchheimer 和 Kozeny-Carman 方程也可用于支持多孔介質(zhì)流動(dòng)的其他模塊。
軟件中滲透率關(guān)系的位置。
非達(dá)西流，從微觀到宏觀尺度
那么，我們?nèi)绾螌⑦@兩種方法聯(lián)系起來(lái)呢？第一個(gè)模型（REV）給出了速度對(duì)壓力梯度的關(guān)系，我們還可以確定孔隙率和滲透率。類(lèi)似的，我們還可以觀察幾個(gè)數(shù)量級(jí)的壓降流動(dòng)行為。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔隙結(jié)構(gòu)模擬的計(jì)算成本相對(duì)較高，因此必須合理的求解。此外，與平均方程（方程2–方程 6）相比，納維-斯托克斯方程本身就更為復(fù)雜。
使用宏觀方法可以得到非常好的近似值。達(dá)西定律適用于小壓降和低速流動(dòng)，而 Burke–Plummer 方程適用于大壓降和高速流動(dòng)。
Forchheimer 方程可以很好地計(jì)算過(guò)渡區(qū)域。在本文的示例中，將 Forchheimer 方程與來(lái)自微觀模型的數(shù)據(jù)相擬合，以獲得 Forchheimer 參數(shù) ，該數(shù)據(jù)通常是在實(shí)驗(yàn)中確定的。
本文我們從微觀和宏觀層面研究了多孔介質(zhì)中的流動(dòng)，并表明了：在各自的適用領(lǐng)域，使用宏觀方法可以得到非常好的近似值。
多孔微通道散熱器的優(yōu)化模型就是使用 Forchheimer 方程模擬的一個(gè)工業(yè)應(yīng)用例子。
在討論了通過(guò)多孔介質(zhì)的流動(dòng)之后，接下來(lái)的文章我們將討論多孔介質(zhì)中的傳熱，敬請(qǐng)期待！
展開(kāi) 在 COMSOL 中模擬多孔介質(zhì)中的熱濕傳遞
對(duì)于這個(gè)模型，我們認(rèn)為建筑材料是特定的非飽和多孔介質(zhì)，其中的水分以液態(tài)和氣態(tài)存在，只有一些傳遞過(guò)程是相關(guān)的。EN 15026標(biāo)準(zhǔn)中涉及到的建筑材料考慮到了水分傳輸現(xiàn)象，詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參看參考文獻(xiàn) 1。
由規(guī)范建立的傳遞方程作為標(biāo)準(zhǔn)，考慮了液體通過(guò)毛細(xì)力的運(yùn)輸、蒸汽壓力梯度導(dǎo)致的蒸汽擴(kuò)散以及水分儲(chǔ)存。
我們通過(guò)在傳熱方程中加入以下通量來(lái)模擬蒸汽冷凝導(dǎo)致的潛熱效應(yīng)。
此外，還評(píng)估了熱性能對(duì)濕度的依賴(lài)性。
您可以在傳熱模塊用戶手冊(cè) 中找到有關(guān)建筑材料中水分傳遞方程的詳細(xì)信息。
COMSOL 軟件傳熱模塊的熱濕傳遞接口增加了：
熱濕耦合節(jié)點(diǎn)
建筑材料傳熱接口
建筑材料中的水分輸送接口
用于傳熱的建筑材料特征
用于水分傳輸?shù)慕ㄖ牧咸卣? 薄防潮層特征，用于模擬防潮層
最后，通過(guò)傳熱接口的建筑材料特征，將由蒸發(fā)引起的潛熱源加入傳熱方程。
選擇建筑材料中的傳熱接口時(shí)的模型樹(shù)和后續(xù)子節(jié)點(diǎn)，以及 建筑材料特征的設(shè)置窗口。
非飽和多孔介質(zhì)中的熱濕傳遞耦合建模
模擬非飽和多孔介質(zhì)中的熱濕傳遞，對(duì)于分析例如制藥業(yè)的高分子材料、電纜保護(hù)層和食品干燥過(guò)程等應(yīng)用非常重要。
對(duì)于這些應(yīng)用，可能沒(méi)有唯象模型，如上面介紹的建筑材料模型。然而，通過(guò)考慮每個(gè)相（固體、液體和氣體）的熱量和水分的守恒，以及不同相的體積平均，我們可以得出一個(gè)機(jī)理模型。
為了計(jì)算水分分布，我們求解了多孔介質(zhì)中的兩相流問(wèn)題。求解了兩個(gè)傳輸方程：一個(gè)是蒸汽，一個(gè)是液態(tài)水。
展開(kāi) COMSOL顆粒夾雜多孔介質(zhì)多相材料達(dá)西滲流模擬
這里采用兩項(xiàng)材料通過(guò)COMSOL達(dá)西定律模塊對(duì)滲流進(jìn)行模擬。
模型采用CAD隨機(jī)球體顆粒&過(guò)渡區(qū)插件建立后導(dǎo)入到COMSOL軟件內(nèi)。
模型包括滲流發(fā)生的外側(cè)基體、內(nèi)部顆粒、顆粒及基體過(guò)渡區(qū)（ITZ）三部分組成，由于內(nèi)部顆粒的滲透系數(shù)遠(yuǎn)小于基體，因此可將其省略，邊界置為無(wú)流動(dòng)。設(shè)置過(guò)渡區(qū)的目的是在實(shí)際情況中，土體及內(nèi)部碎石顆粒間往往會(huì)有孔隙，這就造成了接觸面的實(shí)際滲透率遠(yuǎn)高于土體，模型剖切面如下。
模型設(shè)置左右兩側(cè)的水頭差，最終壓力及流速模擬結(jié)果如下。
COMSOL微觀多孔介質(zhì)二維滲流模擬基于四參數(shù)隨機(jī)生長(zhǎng)建模
微觀多孔介質(zhì)流體
微觀多孔介質(zhì)廣泛存在于巖石、土層等流體介質(zhì)之中，這使得流體穿過(guò)存在復(fù)雜性，滲流的微觀結(jié)構(gòu)決定其宏觀現(xiàn)象，在研究中可采用表征單元體（representative elementary volume，簡(jiǎn)稱(chēng)REV）方法，這就涉及到微觀介質(zhì)的模型重構(gòu)。
這里采用AbyssFish四參數(shù)隨機(jī)生長(zhǎng)2D軟件進(jìn)行微觀多孔介質(zhì)的構(gòu)建，V1.1版本軟件通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)的算法，可指定四參數(shù)隨機(jī)增長(zhǎng)的分布概率、生長(zhǎng)概率、孔隙率、以及孔隙尺寸特征等參數(shù)，并可進(jìn)行同一參數(shù)不同孔隙率的動(dòng)態(tài)輸出，方便對(duì)比研究。
這里生成尺寸為寬度為2.0，高度為0.5的多孔介質(zhì)模型，并將其導(dǎo)入到COMSOL內(nèi)，多孔介質(zhì)的孔隙率為70%(白色)。COMSOL模型構(gòu)建方法可以參考：COMSOL建立孔隙尺度多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型教程
多孔介質(zhì)中的孔隙為單聯(lián)通域，無(wú)無(wú)效幾何，如果指定的孔隙率過(guò)小，軟件生成的孔隙可能非單聯(lián)通，需要將非聯(lián)通的的幾何進(jìn)行手動(dòng)刪除處理。
物理場(chǎng)采用流體流動(dòng)中的層流，左側(cè)為流體入口，右側(cè)為出口，以下為流速及壓力計(jì)算結(jié)果。
模型樣圖
建模采用的AbyssFish四參數(shù)隨機(jī)生長(zhǎng)2D軟件可在下面鏈接下載：
https://www.yqgqt.org.cn/post/1899410
展開(kāi) 基于相場(chǎng)方法（/水平集方法）的多孔介質(zhì)中的驅(qū)替模擬 ￥400
提供基于comsol中相場(chǎng)方法模擬多孔介質(zhì)兩相驅(qū)替（水氣、油水等等）的算例（也可以定做水平集驅(qū)替的算例），可在此基礎(chǔ)上學(xué)會(huì)利用comsol軟件進(jìn)行兩相流驅(qū)替的模擬，拓展研究，具體參考算例附后。
附贈(zèng)基于相場(chǎng)方法模擬驅(qū)替時(shí)的毛管數(shù)計(jì)算方法和飽和度計(jì)算方法
COMSOL相場(chǎng)方法模擬裂縫多孔介質(zhì)中的滲吸 ￥500
提供COMSOL中基于相場(chǎng)方法模擬裂縫多孔介質(zhì)中的滲吸算例，可用于學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單幾何模型和復(fù)雜幾何模型中的兩相流動(dòng)模擬，比較采用相場(chǎng)方法守恒和不守恒條件下計(jì)算結(jié)果的差異，對(duì)比水平集方法和相場(chǎng)方法，具體案例在帖子后面。
USDFLD子程序在基于ABAQUS開(kāi)展多孔介質(zhì)（油氣工程為例）流-固耦合分析中的應(yīng)用
儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)過(guò)程的材料參數(shù)會(huì)隨孔壓和有效應(yīng)力等發(fā)生變化，儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)過(guò)程地質(zhì)力學(xué)模擬就需要通過(guò)一定手段
實(shí)現(xiàn)物性參數(shù)的實(shí)時(shí)變化。
為此，本教程開(kāi)發(fā)啦USDFLD子程序用于實(shí)現(xiàn)上述目的。
1、隨著油氣資源的開(kāi)發(fā)，儲(chǔ)層等多孔介質(zhì)應(yīng)力和孔壓等會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)，油氣儲(chǔ)層等多孔介質(zhì)的屬性受多種因素影響，例如應(yīng)力和孔隙壓力；
2、ABAQUS默認(rèn)條件下，Property模塊只能設(shè)置恒定材料屬性，沒(méi)法反映儲(chǔ)層特性隨應(yīng)力和孔壓等因素對(duì)材料屬性的影響；
3、USDFLD子程序是最常用的子程序，通過(guò)設(shè)置和編程可以實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中材料屬性的動(dòng)態(tài)控制，進(jìn)而更準(zhǔn)確的模擬工程實(shí)際情況；
4、使用USDFLD子程序時(shí)，常規(guī)屬性（彈性模量等力學(xué)屬性）可以通過(guò)界面直接完成，而滲流參數(shù)（滲透系數(shù)和孔隙比）則需要修改INP文件或Keywords實(shí)現(xiàn)，本教程給出了實(shí)現(xiàn)方法；
5、通常，使用USDFLD開(kāi)展有限元模擬時(shí)基本全是設(shè)置一個(gè)場(chǎng)變量，本教程給出了應(yīng)力和孔壓同時(shí)（兩個(gè)場(chǎng)變量）影響儲(chǔ)層滲透率時(shí)的USDFLD設(shè)置方法；
6、本教程可以用于油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程，也可以用于涉及到多孔介質(zhì)流固耦合分析的其他領(lǐng)域；
7、第一次錄制視頻教程，有瑕疵和紕漏，請(qǐng)大家提出講得不清楚的地方，或不理解的地方，以便在后續(xù)過(guò)程中更新教程.
感謝大家的支持！！
HTTP：USDFLD子程序在基于ABAQUS開(kāi)展多孔介質(zhì)（油氣工程為例）流-固耦合分析中的應(yīng)用
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