組分輸運模擬的案例
十五、Fluent濕空氣模擬-組分輸運模型
<p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">FLUENT可以使用組分輸運模型來模擬濕空氣，但這只是組分輸運模型的一個簡單應(yīng)用，實際上對組分輸運模型應(yīng)用比較多的是燃燒和化學(xué)反應(yīng)問題。本文主要通過組分輸運模型模擬濕空氣問題來講解該模型的基本使用方法。</span></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);"> </span></p><p><strong style="background-color: rgb(0, 255, 0);">1 概念介紹</strong></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">什么叫做組分輸運？我們通過和多相流概念對比來進(jìn)行理解，我們知道多相流是指相態(tài)不同（氣、液、固）的流體或相同相態(tài)但運動狀態(tài)不同的流體共同流動，對于這樣的問題我們使用多相流模型可以很清晰的查看流體的相界面分布情況。但是如果多種流體相態(tài)和運動狀態(tài)都相同，呈現(xiàn)出一種混合狀態(tài)比如空氣，不存在相界面，我們應(yīng)該如何模擬呢？-使用組分輸運模型，所以組分輸運模型實際上是模擬混合物各組分之間或與其他相之間的相互作用。</span></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">對于空氣，其由氧氣、氮氣、水蒸氣等氣體組成，如果我們只想了解其中水蒸氣各物理場分布情況，就可以使用組分輸運模型。本例用一個簡單的例子來簡要描述Fluent組分輸運模型模擬濕空氣問題。
展開 fluent-組分輸運-案例1-甲烷、硫化氫在空氣中的泄露擴(kuò)散分布
fluent-組分輸運-案例1-甲烷、硫化氫在空氣中的泄露擴(kuò)散分布
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本案例研究天然氣中硫化氫（H2S）在如下模型中的泄露擴(kuò)散情況，泄露口采用2維孔口模型，口徑為0.06m，左側(cè)水平向右的風(fēng)速為2.5m/s，幾何模型如下所示：通過對其進(jìn)行fluent模擬，可以得到甲烷安全區(qū)。
知識點：組分輸運模型設(shè)置、多相流、歐拉模型等
視頻播放地址：http://www.yqgqt.org.cn/college/video/c10172
使用fluent中的VOF模型、Species組分運輸模型進(jìn)行鋁水化學(xué)反應(yīng)模擬仿真 ￥1688
模擬對象為鋁水反應(yīng)器，其為一個圓柱形容器，為加快計算速度，本模擬選擇二維模型進(jìn)行計算。使用fluent中的VOF模型、Species組分運輸模型進(jìn)行鋁水化學(xué)反應(yīng)的設(shè)置，監(jiān)測溫度場變化。提供完整源文件和完整錄制教學(xué)視頻指導(dǎo)，可直接出圖，也可根據(jù)錄屏教程進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。
基于COMSOL軟件的分子流模塊模擬一腔道內(nèi)低溫吸附結(jié)構(gòu)對單一組分稀薄氣體分子的的抽吸作用 ￥1000
本案例建立一二維軸對稱腔道結(jié)構(gòu)，如圖1所示。結(jié)構(gòu)內(nèi)存在阻擋壁面結(jié)構(gòu)、吸附面結(jié)構(gòu)、包含一入口。吸附壁面溫度為4.5K，吸附系數(shù)為0.7，其他壁面結(jié)構(gòu)的壁面溫度為80K。在入口受到3mPa的抽吸壓力下，計算得到腔體內(nèi)的數(shù)密度分布云圖，如圖2所示。腔體內(nèi)顆粒粒子追蹤He氣體分子的運動，如圖3所示。由圖可知，最終在吸附壁面上吸附了一定數(shù)量的氣體分子顆粒。
圖1 幾何模型
圖2 數(shù)密度分布
圖3 He氣體分子顆粒的運動分布
感興趣的朋友可下載模型源文件，歡迎合作交流
三十、Fluent兩種蒸發(fā)-冷凝模型理論及設(shè)置
如果是組分輸運模型模擬相變問題，且其中一相是氣體，則必須設(shè)置To phase為氣體。
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Fluent能夠做的事
這樣一個工具發(fā)展至今，可以用來模擬的絕不只有流體力學(xué)。下面我們依次來說明。
首先是流動，fluent提供了非常豐富的流動模型，不僅可以模擬層流，同樣還可以模擬湍流，其中湍流提供了很多的模擬，比如著名的k-ε模型、Spalart-Allmaras 模型、k-ω模型、雷諾應(yīng)力模型（RSM）、大渦模擬模型（LES）等。模型的選擇和工況有關(guān)，當(dāng)模型選擇不合適的時候，計算結(jié)果可能不那么精確。
其次是傳熱，fluent模擬傳熱時，只需要將能量方程選項打開，就能夠模擬熱傳導(dǎo)的熱對流了。但是如果想要模擬熱輻射，則需要單獨打開輻射換熱模型。輻射換熱也分了很多種類，在此不細(xì)說了。總是涉及到換熱和流動的，fluent基本都能夠模擬。同時fluent還專門提供了換熱器模型，當(dāng)你需要對換熱器進(jìn)行模擬時，可以打開這個模型
fluent還可以模擬多相流，fluent提供了比較多的多相流模型，比如VOF模型（適用于分層流、自由面流動、晃動、大氣泡流動、噴射衰竭表面張力預(yù)測等等）、混合模型（適用于氣泡流、粒子負(fù)載流、沉降及旋風(fēng)分離器）、歐拉多相流是比較復(fù)雜的流動（適用于顆粒懸浮、流化床等）。
fluent還提供了離散型模型，用于模擬顆粒的流動，主要有DPM模型（稀疏的顆粒流動）、DDPM模型（稠密的顆粒流動）、PBM模型（使用歐拉方法求解顆粒流動）
傳質(zhì)問題，fluent可以使用不同的方法模擬蒸發(fā)、冷凝、凝固、融化，自帶的求解器也能夠解決這樣的問題。
同時fluent組分輸運模型可以用來模擬化學(xué)反應(yīng)，主要用于模擬燃燒過程
fluent能夠求解電勢方程，模擬電鍍、腐蝕、流體電池等問題，還可以模擬靜電除塵問題。
展開 儲層巖石孔隙尺度的化學(xué)輸運模擬
本項目使用真實結(jié)構(gòu)的micro-CT圖像數(shù)據(jù)，在Simpleware軟件中進(jìn)行可視化和處理，生成網(wǎng)格化的3D模型，然后將其導(dǎo)出至仿真軟件中研究化學(xué)輸運機制。
亮點
從開源庫中獲取真實巖石結(jié)構(gòu)的 micro-CT數(shù)據(jù)；
在Simpleware ScanIP中進(jìn)行圖像處理和分割；
在Simpleware FE中為孔隙結(jié)構(gòu)生成高質(zhì)量的多相網(wǎng)格；
在仿真軟件中進(jìn)行孔隙尺度化學(xué)輸運模擬。
圖像處理
使用帝國理工學(xué)院孔隙尺度模型（PERM）聯(lián)盟提供的開源巖石CT圖像庫中的micro-CT 數(shù)據(jù)，獲得孔隙空間和微觀結(jié)構(gòu)的RAW圖像文件。在Simpleware ScanIP中將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為基于3D體素的幾何結(jié)構(gòu)，為網(wǎng)格劃分做準(zhǔn)備。由于CT掃描通常會產(chǎn)生噪音，此步驟的處理極其復(fù)雜。為了渲染構(gòu)造良好的巖石和孔隙相，在ScanIP軟件中使用了一系列的視覺濾波器和圖像處理技術(shù)。
圖：Simpleware ScanIP中micro-CT數(shù)據(jù)的可視化和分割
利用Simpleware FE模塊為多相流模型生成非常穩(wěn)健的CFD網(wǎng)格，并直接導(dǎo)出至 仿真軟件。
圖：使用Simpleware FE模塊生成網(wǎng)格化的多孔結(jié)構(gòu)模型
然后將網(wǎng)格化的多孔介質(zhì)模型導(dǎo)入商用偏微分方程（PDE）求解器中求解 Navier-Stokes 方程，計算絕對滲透率等基本參數(shù)。這樣的工作流程可以對真實孔隙尺度結(jié)構(gòu)中化學(xué)組分的輸運進(jìn)行模擬。
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