多孔介質(zhì)滲流仿真的案例
多孔介質(zhì)中的滲流物理
薛定諤多孔介質(zhì)中的滲流物理
多孔介質(zhì)中的滲流物理1.rar
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多孔介質(zhì)滲流現(xiàn)象
編譯：葛越峰 上海安世亞太流體應(yīng)用工程師
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滲流的概念
滲流是指流體在多孔介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)。滲流現(xiàn)象廣泛存在于人造材料和自然界中。如地下水的開(kāi)發(fā)、石油的開(kāi)發(fā)、天然氣收集、煤炭的開(kāi)采等都需要對(duì)滲流進(jìn)行分析研究。
滲流力學(xué)主要研究流體在多孔介質(zhì)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是流體力學(xué)的一個(gè)分支。
但同時(shí)又與多孔介質(zhì)理論、表面物理、物理化學(xué)、固體力學(xué)和生物學(xué)等學(xué)科交叉滲透，是一門綜合的學(xué)科。當(dāng)前的研究主要集中在單相滲流理論、多相滲流理論、雙重介質(zhì)滲流理論、滲流基本定律和多孔介質(zhì)理論。
滲流理論的應(yīng)用面也很廣。
如在生物醫(yī)療領(lǐng)域、海水入侵，水利水電工程、農(nóng)林工程、凍土工程等都需要對(duì)滲流進(jìn)行分析。
研究滲流區(qū)域內(nèi)水頭或地下水位的分布，滲流對(duì)建筑物基底的作用力，區(qū)域內(nèi)滲流量，滲流速度以及滲流對(duì)多孔結(jié)構(gòu)的影響等。
按其應(yīng)用范圍，大致可以劃分為地下滲流、工程滲流、生物滲流3個(gè)方面。
CFD仿真在多孔介質(zhì)中的運(yùn)用
ANSYS Fluent 中Porous Zone可以分析液體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)趨勢(shì)。
本次以簡(jiǎn)單模型，模擬液體在多孔介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)情況。
▲上圖陰影區(qū)域?qū)?yīng)下面視頻中的多孔介質(zhì)區(qū)域
滲透與滲流
實(shí)際生活中往往觀察到的是液體向固體縫隙內(nèi)部滲透的現(xiàn)象，為了分析這一現(xiàn)象，我們引入了滲流概念。
滲透
地下水在巖石孔隙或多孔介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，液體在彎曲孔隙中流動(dòng)，速度各不相同。為了研究地下水的整體運(yùn)動(dòng)特征，引入滲流的概念。
滲流
具有實(shí)際水流的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)（流量、水頭、壓力、滲透阻力），并連續(xù)充滿整個(gè)含水層空間的一種虛擬水流；是用以代替真實(shí)地下水流的一種假想水流。
展開(kāi) COMSOL顆粒夾雜多孔介質(zhì)多相材料達(dá)西滲流模擬
在實(shí)際工程中滲流路徑往往不是單一材料，如滲流發(fā)生在夾雜碎石的土體中，這就造成滲流的復(fù)雜性。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。
展開(kāi) comsol巖土凍土裂隙滲流多孔介質(zhì)培訓(xùn)
第一講：Comsol簡(jiǎn)介與基本操作
lComsol在巖土工程中的應(yīng)用 幾何模型構(gòu)建
l從CAD導(dǎo)入幾何模型網(wǎng)格劃分后處理技術(shù)簡(jiǎn)介
lComsol與Abaqus的比較
l第二講：邊坡在自重力作用下的變形
第三講：Comsol中邊坡自重力平衡技術(shù)
第四講：基于強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性計(jì)算
第五講：降雨條件下邊坡滲流穩(wěn)定性
第六講：庫(kù)水位升降條件下土石壩滲流穩(wěn)定性
第七講：基于Comsol的邊坡雙重介質(zhì)（孔隙+裂隙）滲流
第八講：凍融條件下土柱熱-水-力多場(chǎng)耦合模型
第九講：其它工程案例講解解疑拓展（培訓(xùn)完長(zhǎng)期解疑答惑）
第十講：學(xué)員可帶自己案例模型讓老師指導(dǎo)解疑
如果您在用（PFC.FLAC,ABAQUS,等巖土工程仿真軟件）請(qǐng)報(bào)名參加培訓(xùn)
培訓(xùn)福利：
有長(zhǎng)期微信解疑群，幫助學(xué)員指導(dǎo)解疑，直到問(wèn)題解決，這次參加完培訓(xùn)可以免費(fèi)參加下次培訓(xùn)，
培訓(xùn)資料為紙質(zhì)版和PPT,還有案例模型都將提供給學(xué)員
優(yōu)惠名額僅前15名；24個(gè)小時(shí)培訓(xùn)時(shí)長(zhǎng)培訓(xùn)內(nèi)容的深度層層遞進(jìn)，從初學(xué)入門到理解掌握，再到精通老手，玩轉(zhuǎn)Comsol，達(dá)到無(wú)師自通的地步，不僅學(xué)會(huì)Comsol軟件操作，還能理解巖土多物理場(chǎng)耦合理論及其在Comsol中的實(shí)現(xiàn)，甚至能夠通過(guò)所學(xué)進(jìn)行類似工程問(wèn)題的應(yīng)用研究，以及從事更深入的科研理論研究
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展開(kāi) 
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) COMSOL多孔介質(zhì)自然流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象的仿真研究
多孔介質(zhì)中的自然對(duì)流和傳熱研究在地?zé)嵯到y(tǒng)、隔熱材料、食品加工以及化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)等領(lǐng)域具有重要意義。本文介紹了一種基于COMSOL Multiphysics軟件建立多孔介質(zhì)幾何模型并模擬其內(nèi)部自然對(duì)流與傳熱過(guò)程的方法。
采用CAD Voronoi V2.1插件生成多孔介質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)，并在AutoCAD中僅保留含曲邊孔隙圖層的內(nèi)容后導(dǎo)出為dxf格式文件。并將此文件導(dǎo)入至COMSOL Multiphysics軟件中。
在COMSOL中，通過(guò)構(gòu)建矩形區(qū)域并與導(dǎo)入的CAD圖形執(zhí)行差集操作來(lái)完成多孔介質(zhì)幾何模型的建立。
選擇“多孔介質(zhì)傳熱”物理場(chǎng)，并設(shè)置相應(yīng)的溫度邊界條件以匹配具體應(yīng)用場(chǎng)景。完成設(shè)置后，對(duì)模型實(shí)施網(wǎng)格劃分。
通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，分析多孔介質(zhì)內(nèi)的流速分布及溫度場(chǎng)變化情況。
研究結(jié)果提供了關(guān)于多孔介質(zhì)內(nèi)部復(fù)雜對(duì)流與傳熱機(jī)制的深刻見(jiàn)解。
展開(kāi) 多孔介質(zhì)中的裂隙流數(shù)值仿真
本篇案例展示了多孔介質(zhì)的中裂隙流仿真過(guò)程，此案例適用于對(duì)污染物（包括放射性材料）在地下的流動(dòng)和傳遞感興趣的用戶，還適用于石油公司，這些公司往往需要研究通過(guò)裂隙流入油井的快速流動(dòng)和通過(guò)巖石或土壤中顆粒之間小孔隙流入油井的緩慢流動(dòng)。模擬結(jié)果展示如下：
感興趣的朋友可加我交流模型。Q：172497934，群1:743937736，群2：858277810。
COMSOL 多孔介質(zhì)毛細(xì)現(xiàn)象仿真（含講解視頻）
背景介紹
多孔介質(zhì)的微小空隙中的任何兩種非互溶流體分界面的兩側(cè)存在的壓力差，即非浸潤(rùn)相的壓力與浸潤(rùn)相的壓力之差。毛細(xì)管壓力取決于流體的表面張力、浸潤(rùn)角和界面的曲率。在流體互相驅(qū)替過(guò)程中，毛細(xì)管壓力可以是驅(qū)動(dòng)力，也可以是流動(dòng)的阻力。浸潤(rùn)相在毛細(xì)管壓力作用下，可以自發(fā)地驅(qū)替非浸潤(rùn)相，即滲汲作用。毛細(xì)管壓力的存在影響多孔介質(zhì)內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此是滲流力學(xué)及有關(guān)的工程技術(shù)必須考慮的問(wèn)題。例如，在油田開(kāi)發(fā)中，毛細(xì)管壓力影響油層的有效滲透率和油層的采收率；利用毛細(xì)管壓力曲線可確定多孔介質(zhì)內(nèi)的孔隙分布和流體分布，計(jì)算多孔介質(zhì)的相滲透率以及油層的采收率等。
圖 1 多孔介質(zhì)電鏡掃描示意圖
注：以上內(nèi)容引自百度百科
2. 模型介紹
如圖2所示，建立矩形（2mm×5mm）隨機(jī)圓形的多孔區(qū)域，圓形孔隙率為0.6，圓形隨機(jī)分布服從正態(tài)分布。底部為液體區(qū)域，兩邊作為入口壓力邊界，入口壓力為液體重力所帶來(lái)的靜壓力。出口壓力靜壓力為0Pa。
圖 2 多孔介質(zhì)毛細(xì)示意圖
3. 物理場(chǎng)選擇及邊界條件設(shè)置
本模型主要是采用comsol6.2版本中的湍流流動(dòng)、水平集兩相流等多物理場(chǎng)模塊，詳細(xì)的物理場(chǎng)及邊界條件設(shè)置如圖3所示。
圖 3 詳細(xì)的物理場(chǎng)設(shè)置以及邊界條件
4. 網(wǎng)格繪制
由于本模型形狀不規(guī)則，采用自由三角形網(wǎng)格繪制方式進(jìn)行繪制，如圖4所示。
圖 4 網(wǎng)格繪制
3. 結(jié)果展示
圖 5 多孔介質(zhì)內(nèi)部速度分布
圖 6 速度矢量分布
圖 7 流體2體積分?jǐn)?shù)
圖 8 流體2體積分?jǐn)?shù)動(dòng)態(tài)變化
源文件及視頻獲取方式
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展開(kāi) #184-地下天然氣泄漏仿真-多孔介質(zhì)影響（#193）對(duì)比
#184-地下天然氣泄漏仿真-多孔介質(zhì)影響（#193）對(duì)比
01工況介紹
泄漏示意圖如下，空間大小100m*100m，#184仿真不考慮土壤（多孔介質(zhì)）的影響（即仿真僅對(duì)地上部分建模，不對(duì)地下部分建模），#193仿真考慮多孔介質(zhì)影響。
無(wú)風(fēng)工況示意圖（左）和有風(fēng)工況示意圖（右）
02網(wǎng)格情況
不考慮土壤（多孔介質(zhì)）的影響網(wǎng)格
考慮土壤（多孔介質(zhì)）的影響網(wǎng)格
03仿真設(shè)置
設(shè)置簡(jiǎn)單，幾步輕松搞定。
1、瞬態(tài)計(jì)算
2、湍流模型
3、組分輸運(yùn)模型
4、組分設(shè)置
5、入口設(shè)置
6、入口成分設(shè)置
7、可根據(jù)需要設(shè)置是否有側(cè)風(fēng)，以及側(cè)風(fēng)大小（無(wú)側(cè)風(fēng)時(shí)側(cè)邊設(shè)置為壓力出口）。
8、若需要考慮土壤（多孔介質(zhì)）的影響，則需將土壤部分另作為一個(gè)多孔介質(zhì)域，基本設(shè)置參考如下。
9、根據(jù)需要設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)
04基本結(jié)果
#184-1-1：6.3MPa，泄漏孔徑40，流量12.8kg/s，無(wú)側(cè)風(fēng)（不考慮土壤）
觀看動(dòng)畫效果可下載附件（“動(dòng)畫”）。
動(dòng)畫.mp4
#184-1-2：6.3MPa，泄漏孔徑40，流量12.8kg/s，側(cè)風(fēng)4m/s（不考慮土壤）
觀看動(dòng)畫效果可下載附件（“動(dòng)畫”）。
動(dòng)畫.mp4
#184-1-3：6.3MPa，泄漏孔徑40，流量12.8kg/s，側(cè)風(fēng)10/s（不考慮土壤）
觀看動(dòng)畫效果可下載附件（“動(dòng)畫”）。
展開(kāi) 不同邊界下多孔滲流分析
不同邊界下多孔滲流分析，采用abaqus軟件實(shí)現(xiàn)。可應(yīng)用于復(fù)合水凝膠、細(xì)胞、路基等領(lǐng)域滲流分析。
接觸區(qū)域定義為封閉表面，未接觸區(qū)域定義未自由表面
所有區(qū)域均定義未封閉表面
所有區(qū)域定義為自由表面
二十、多孔介質(zhì)模型案例
<p><strong style="background-color: rgb(0, 255, 0);">1 概念介紹</strong></p><p><br></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">多孔介質(zhì)就是固體物質(zhì)內(nèi)部和表面有許多孔隙，如海綿等，由固體物質(zhì)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(gòu)成的物質(zhì)。多孔介質(zhì)內(nèi)的流體以滲流方式運(yùn)動(dòng)。</span></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);"> </span></p><p class="ql-align-center"><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/8tJMdLVYZyibC1zkzEHg1l7NRBsiar1Xc3KfzYhibydudVVeEy0Jt8ciaM4ribCD2PMVCa2Y2PDGrejyX4cjcdTc7iaA/640?wx_fmt=jpeg" width="531" style=""></p><p><br></p><p>Fluent自帶多孔介質(zhì)模型，對(duì)于多孔介質(zhì)的模擬，不考慮流體在多孔介質(zhì)內(nèi)部的流動(dòng)，只考慮多孔介質(zhì)對(duì)于流動(dòng)阻力及能量方程產(chǎn)生的影響。
展開(kāi) 
糧倉(cāng)內(nèi)的多孔介質(zhì)通風(fēng)模型 ￥500
由于儲(chǔ)存條件、設(shè)施簡(jiǎn)陋且缺乏技術(shù)指導(dǎo)，農(nóng)戶儲(chǔ)糧損傷比例約8%左右，本案例建立了一糧倉(cāng)模型，糧倉(cāng)內(nèi)的小麥采用多孔介質(zhì)模型描述，基于熱-流耦合多物理場(chǎng)理論模型，對(duì)糧倉(cāng)內(nèi)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行了仿真模擬，有助于揭示糧堆內(nèi)部的耦合傳熱機(jī)理，提高儲(chǔ)糧技術(shù)，實(shí)現(xiàn)安全儲(chǔ)糧，本案例的仿真結(jié)所示：
感興趣的朋友，歡迎交流模型！
【AICFD案例操作】多孔介質(zhì)歧管流動(dòng)傳熱
圖5-3 結(jié)果更新
4）可視化結(jié)果
① 壓力云圖
單擊菜單欄 后處理> 云圖，選取位置域和變量參數(shù)，設(shè)置等級(jí)參數(shù)256，點(diǎn)擊應(yīng)用，讀取歧管壓力云圖，可以看到歧管的入口壓力最大 經(jīng)過(guò)多孔介質(zhì)區(qū)域后壓力減小，并在出口處降至最低。
圖5-4 壓力云圖
② 溫度云圖
單擊菜單欄 后處理> 云圖，選取位置域和變量參數(shù)，設(shè)置等級(jí)參數(shù)256，點(diǎn)擊應(yīng)用，讀取歧管表面溫度云圖，可以看出歧管入口處 溫度較高，在多孔介質(zhì)域內(nèi)溫度逐漸降低，隨后流體流出多孔介質(zhì)域后溫度逐漸增加。
圖5-5 表面溫度云圖
單擊菜單欄 后處理> 矢量圖，設(shè)置歧管速度矢量圖，可以看出在多孔介質(zhì)域內(nèi)速度較低，在歧管內(nèi)徑較小處速度最高。
圖5-6 流線圖
展開(kāi) 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) 多孔介質(zhì)的地應(yīng)力平衡
多孔介質(zhì)的地應(yīng)力平衡.rar
