多孔介質流動
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
多孔介質流動的視頻教程
I_10多孔介質：各向異性介質《STAR CCM+官方案例視頻教程》
STAR CCM+官方案例視頻教程系列之I不可壓縮流_10多孔阻力：正交各向異性介質 涉及主要知識點： 1）各項異性多孔介質介紹； 2）有關STAR CCM+的慣性阻力和粘性阻力系數設置請見上節課“多孔阻力：各向同性介質”； 3）STAR CCM+強大的復制粘貼功能介紹； 4）1個窗口中并列顯示2個云圖對比分析。
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I-09多孔介質：各向同性介質《STAR CCM+官方案例視頻教程》
STAR CCM+官方案例視頻教程系列之不可壓縮流_09多孔阻力：各向同性介質 涉及主要知識點： 1）多孔介質介紹； 2）STAR CCM+的慣性阻力和粘性阻力系數設置； 2）網格縮放； 3）創建壓降監控曲線。
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多孔介質流動的實例教程
從大規模的地質區域到納米尺度的結構，多孔材料的流動發生在所有長度尺度上。雖然達西定律已經涵蓋了許多應用，但是在工業應用中，速度場和壓力梯度之間的關系不再是線性的，達西定律不能提供準確的結果。在這篇文章中，我們將更深入的研究多孔介質中可能出現的不同流動狀態，以及如何描述它們。
在微觀尺度上模擬多孔介質中的流動
為了更深入地理解流經多孔材料中的流動特征，有必要仔細研究它的微觀結構。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模擬多孔材料中的流動。
下面的動畫顯示了一個大小為 2 cm × 2 cm × 6 cm 的復雜多孔結構，以及使用線性納維-斯托克斯方程計算的流型。
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域，也包含根本不發生流動的區域。即使結構是不規則的，當放大另一個位置的相同多孔結構樣品時，其流動特性也是相同的。因此，這被稱為 代表性單元體積（REV）。對代表性單元體積進行平均可以得到宏觀方程，詳見下一節內容。
為了表征流動并獲得有關宏觀方程的信息，下面幾個數值很重要：
孔隙率 ，描述了孔隙體積與總體積的比率，可以從幾何形狀計算
沿流動方向（縱向）下降的壓力 ，可以計算或預定義
表觀速度 ，或通過結構的體積流量 (m3/s)，除以總橫截面積 (m2 )
宏觀尺度的流動
達西定律是描述多孔材料流動的基本定律，它最初只是一個經驗定律，后來在理論上由納維-斯托克斯方程推導出來。它描述了速度場 (m/s)與壓力梯度 （Pa）之間的線性關系。
(1)
其中，(m2) 是多孔介質的滲透率， (Pa·s) 是流體的動力黏度。
展開 從大規模的地質區域到納米尺度的結構，多孔材料的流動發生在所有長度尺度上。雖然達西定律已經涵蓋了許多應用，但是在工業應用中，速度場和壓力梯度之間的關系不再是線性的，達西定律不能提供準確的結果。在這篇文章中，我們將更深入的研究多孔介質中可能出現的不同流動狀態，以及如何描述它們。
在微觀尺度上模擬多孔介質中的流動
為了更深入地理解流經多孔材料中的流動特征，有必要仔細研究它的微觀結構。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模擬多孔材料中的流動。
下面的動畫顯示了一個大小為 2 cm × 2 cm × 6 cm 的復雜多孔結構，以及使用線性納維-斯托克斯方程計算的流型。
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域，也包含根本不發生流動的區域。即使結構是不規則的，當放大另一個位置的相同多孔結構樣品時，其流動特性也是相同的。因此，這被稱為 代表性單元體積（REV）。對代表性單元體積進行平均可以得到宏觀方程，詳見下一節內容。
為了表征流動并獲得有關宏觀方程的信息，下面幾個數值很重要：
孔隙率 ，描述了孔隙體積與總體積的比率，可以從幾何形狀計算
沿流動方向（縱向）下降的壓力 ，可以計算或預定義
表觀速度 ，或通過結構的體積流量 (m3/s)，除以總橫截面積 (m2 )
宏觀尺度的流動
達西定律是描述多孔材料流動的基本定律，它最初只是一個經驗定律，后來在理論上由納維-斯托克斯方程推導出來。它描述了速度場 (m/s)與壓力梯度 （Pa）之間的線性關系。
(1)
其中，(m2) 是多孔介質的滲透率， (Pa·s) 是流體的動力黏度。
展開 ABAQUS有限元軟件 soil模塊可模擬計算多孔介質中流體流動這種滲流應力耦合問題，其是通過將介質視為多相材料并采用有效應力原理來描述其力學行為來對多孔介質進行建模。提供的多孔介質模型考慮介質中兩種流體的存在。一種是“潤濕液體”，它被認為是相對（但不是完全）不可壓縮的。另一種是相對可壓縮的氣體。當介質部分飽和時，兩種流體都存在于一個點上；當完全飽和時，完全充滿潤濕液體。單元體積由一定體積的固體物質、一定量的孔隙和一定體積的潤濕液體構成，如果被壓差驅動則可以自由地通過介質。ABAQUS軟件就是通過將有限元網格附著到固相來模擬多孔介質，流體可以流過這個網格。其中模型的力學機理是基于有效應力原理，不再贅述，其中流體流動默認為為達西滲流。
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，是線性關系而Forchheimer定律是非線性定律，主要模擬更高流動速度的情況，Darcy定律可以認為是Forchheimer定律的特例。Darcy定律用于表述為層流條件下通過多孔介質的滲流速度與水力梯度滿足線性關系，在一維條件下有：
為平均滲流速度，Q為流量，A為過水面積，k為滲透系數，H為測壓水頭，z是某指定參考面之上的高度。
模擬示例之地層排水固結
（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 現實生活中常會碰到多孔介質的問題，如水處理中常會碰到的篩網、過濾器，環境工程中的土壤等，此類問題的特點在于幾何孔隙非常多，建立真實幾何非常麻煩。在流體計算中通常對此類問題進行簡化，將多孔區域簡化為增加了阻力源的流體區域，從而省去建立多孔幾何的麻煩。簡化方式一般為在多孔區域提供一個與速度相關的動量匯，其表達形式為：
式中，Si為第i(x,y,z)方向的動量方程源項；為速度值；D與C為指定的矩陣。式中右側第一項為粘性損失項，第二項為慣性損失項。
對于均勻多孔介質，則可改寫為：
式中，α為滲透率；C2為慣性阻力系數。此時矩陣D為1/α。動量匯作用于流體產生壓力梯度，
，即有
，而Δn為多孔介質域的厚度。
本案例演示利用FLUENT模擬計算多孔介質流動問題。如圖所示。
流體介質為空氣，其密度1.225kg/m3，動力粘度1.7854E-5Pa.s，實驗測定氣體通過多孔介質區域后的速度與壓力降如表所示。
將表中的數據擬合為
的形式。
數據擬合后的函數表達式為：
因此，
而密度ρ=1.225kg/m3，Δn=0.1m，可得到慣性阻力系數C2=4.439。而
動力粘度μ=1.7854e-5，換算得粘性阻力系數：
Step 1：啟動FLUENT
啟動FLUENT，并加載網格。
以3D模式啟動FLUENT
選擇菜單【File】>【Read】>【Mesh…】，選擇網格文件EX2-3.msh
軟件導入計算網格并顯示在圖形窗口中。Step 2：檢查網格
包括計算域尺寸檢查及負體積檢查。
選擇模型樹節點General
鼠標點擊右側設置面板中的Scale…按鈕
如圖所示，查看Domain Extents下的計算域尺寸，確保計算域模型尺寸與實際要求一致，否則需要對計算域進行縮放。
展開 多孔介質干燥模擬 ￥1000
<p>本案例建立了一Mushroom二維模型，基于COMSOL軟件的多個物理場模塊：動網格，湍流流動，流體傳熱，水蒸氣和液態水兩個稀物質傳遞，固體力學接口，模擬了Mushroom多孔介質的流動干燥、水分蒸發和收縮變形過程。
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comsol-水力壓裂巖石損傷耦合模型 ，含裂縫制作代碼matlab。
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水驅油是一種在石油開采中常用的提高原油采收率的技術，其原理是通過向油藏中注入水，利用水的壓力將原油從地下巖石的孔隙中推向生產井，從而實現原油的開采。本COMSOL案例介紹在重力作用下多孔介質中的水油兩相流模型。
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一
迂曲度
迂曲度是描述流體在多孔介質中流動路徑曲折程度的參數，它反映了流體實際流動路徑長度與直線距離之間的比率。這個概念在多孔介質的流體動力學研究中非常重要，因為它影響著流體的滲透率、電導率和熱導率等物理性質。在實際應用中，如巖土工程和醫學領域，迂曲度用于評估漿液在地下或生物組織中的擴散效率，進而影響工程設計和治療效果。
奧地利學者Terzaghi在1923年發現土的變形不是由總應力決定的，而是取決于土體中的有效應力。
多孔介質的應力張量分為兩部分，固體骨架的應力 （非有效應力 ）和孔隙流體壓強。
多孔介質力學定義強調：
應力、應變以拉為正，應力、應變以壓為負，孔隙流體壓力以拉為正，孔隙體積增大（體脹）為正，體縮為負。
而土力學（巖土工程）則恰恰相反，強調：
01 配置COMSOL with MATLAB 路徑
軟件在安裝的過程中可以配置COMSOL with Matlab。安裝到此路徑時將MATLAB對應的安裝包路徑粘貼進去即可。
圖 1 軟件安裝路徑配置
02 啟動COMSOL with MATLAB
安裝完成后，桌面會顯示COMSOL with Matlab圖標，雙擊圖標，會啟動MATLAB進行調用。
1. 背景介紹
多孔介質的微小空隙中的任何兩種非互溶流體分界面的兩側存在的壓力差，即非浸潤相的壓力與浸潤相的壓力之差。毛細管壓力取決于流體的表面張力、浸潤角和界面的曲率。在流體互相驅替過程中，毛細管壓力可以是驅動力，也可以是流動的阻力。浸潤相在毛細管壓力作用下，可以自發地驅替非浸潤相，即滲汲作用。毛細管壓力的存在影響多孔介質內的流體運動規律，因此是滲流力學及有關的工程技術必須考慮的問題
為了解決異質性及密度效應引起的優先流問題，常用解決方式是以注入水溶性和剪切稀釋聚合物的方式增強具有不同滲透性的多孔介質之間的交叉流動。但是，額外添加的聚合物不僅改變氧化劑的遷移路徑，還改變了污染物的遷移路徑，使得氧化劑的作用效率受到了限制。對于地層中投加額外的試劑不僅提高了建造費用還會影響地層生物地球化學性質。
