多孔介質流動模擬的案例
FLuent 模擬多孔介質流動
10 Modeling-Flow-Through-Porous-Media.pdf
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模擬多孔介質中不同的流體流動
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 模擬多孔介質中不同的流體流動
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模擬多孔介質流體流動之地層排水固結
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 
【AICFD案例操作】多孔介質歧管流動傳熱
圖5-3 結果更新
4）可視化結果
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，設置等級參數256，點擊應用，讀取歧管壓力云圖，可以看到歧管的入口壓力最大 經過多孔介質區域后壓力減小，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，設置等級參數256，點擊應用，讀取歧管表面溫度云圖，可以看出歧管入口處 溫度較高，在多孔介質域內溫度逐漸降低，隨后流體流出多孔介質域后溫度逐漸增加。
圖5-5 表面溫度云圖
單擊菜單欄 后處理> 矢量圖，設置歧管速度矢量圖，可以看出在多孔介質域內速度較低，在歧管內徑較小處速度最高。
圖5-6 流線圖
展開 多孔介質流動: 不連續裂縫
在多孔介質的裂縫中，流體流動得較快，而在周圍的多孔介質巖體當中，流體也會進入微孔，盡管速度非常慢。由于裂縫和巖體之間存在著流體的傳質，所以在裂縫和巖體的界面上壓強是連續的。精確模擬巖體和裂縫中的流動在一些案例中是很有關鍵的，例如估計井的流率，描述污染物的遷移，設計污染物清除策略等。
本算例說明了聯合求解裂縫和巖體流動的一種高效而精確的方法。模型建立為一個立方體巖體，它的內部邊界為裂縫 (圖 2-27).
Darcy定律是巖體中速度的控制方程，裂縫中的流動設定與裂縫厚度有關。將裂縫定義為內部邊界是一種高效的方法，因為這樣就不需要為狹窄的裂縫體積來建立面積-厚度比非常高的精細網格。
展開 COMSOL多孔介質自然流動與傳熱現象的仿真研究
多孔介質中的自然對流和傳熱研究在地熱系統、隔熱材料、食品加工以及化學反應器設計等領域具有重要意義。本文介紹了一種基于COMSOL Multiphysics軟件建立多孔介質幾何模型并模擬其內部自然對流與傳熱過程的方法。
采用CAD Voronoi V2.1插件生成多孔介質幾何結構，并在AutoCAD中僅保留含曲邊孔隙圖層的內容后導出為dxf格式文件。并將此文件導入至COMSOL Multiphysics軟件中。
在COMSOL中，通過構建矩形區域并與導入的CAD圖形執行差集操作來完成多孔介質幾何模型的建立。
選擇“多孔介質傳熱”物理場，并設置相應的溫度邊界條件以匹配具體應用場景。完成設置后，對模型實施網格劃分。
通過對模型進行仿真計算，分析多孔介質內的流速分布及溫度場變化情況。
研究結果提供了關于多孔介質內部復雜對流與傳熱機制的深刻見解。
展開 COMSOL模擬裂縫介質中的流動，計算介質等效滲透率 ￥199
本帖以交流為主，共同學習將裂縫中的層流流動和基質中的達西流動耦合計算的案例，具體例子在帖子后面，購買前請先私信，如果做相近方向的可贈送案例，歡迎做相近方向的大佬指導學習！
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。
多孔介質中的滲漏模擬 ￥198
提供多孔介質中滲漏模擬的案例，可模擬某相物質在多孔介質（含另一相）的滲漏過程，具體鏈接附后：
在 COMSOL 中模擬多孔介質中的熱濕傳遞
對于快速過程，其時間尺度與介質孔隙內的液相和氣相之間達到平衡的時間相當，非平衡公式可以通過以下蒸發通量來定義：
在這個定義中，平衡蒸汽濃度被定義為飽和濃度 csat 和水活性 aw 的乘積，用來描述多孔介質結構。事實上，由于毛細力的作用，達到平衡的濃度要比自由介質中的濃度低。
通過讓蒸發率 K 達到無窮大，得到一個蒸汽濃度等于平衡濃度的平衡公式。
以一個食品干燥過程為例。一塊最初充滿液態水的馬鈴薯被放置在一個氣流中進行干燥。在馬鈴薯內部，水蒸氣通過空氣中的二元擴散進行傳輸。我們使用 Brinkman 公式來模擬孔隙中潮濕的空氣壓力梯度所引起的流動。由于液相速度與潮濕空氣速度相比很小，使用達西定律模擬壓力梯度引起的液態水流動。
由于水分子之間的相對吸引力和馬鈴薯之間的差異，液態水傳輸中也考慮了毛細流動。
液態水濃度隨時間的變化。
水汽被氣流帶走，如下面這個動畫所示。
水汽濃度隨時間的變化。
蒸發導致馬鈴薯中的溫度降低。溫度分布隨時間的變化情況如下所示。
溫度分布隨時間的變化。
我們可以使用 COMSOL 軟件中的傳熱模塊的多孔介質傳熱 接口和化學反應工程模塊的稀物質傳遞 接口中實現這些方程。為了將多孔介質中的多相流動與蒸發過程結合起來，這個過程需要一些步驟。
結束語
在這篇文章中，我們討論了使用 COMSOL? 軟件對多孔介質中的熱濕傳遞進行建模的功能。COMSOL Multiphysics 及其附加的化學反應工程模塊和傳熱模塊提供了為大量應用定義相應現象和力學模型的工具。根據主導的傳輸過程，可以使用預定義的接口或定義自己的模型。
本文來自：COMSOL博客
展開 
利用MS模擬天然氣（甲烷）在多孔介質中的吸附
天然氣由氣態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，因此，本教程采用甲烷代表天然氣模擬多孔介質中的吸附。模型建立：CH4：打開建立的Project，從菜單欄中選擇 File|Import... 點擊 Import 按鈕打開 Import Document 對話框，選擇Structures/organics 然后選擇 methane.msi，最后點擊 Open 按鈕。
石英：右鍵后點擊Import，然后選擇Structure，進入metal-oxides文件夾；在metal-oxides文件夾中找到并打開SiO2_quartz.msi文件
得到石英原胞如圖所示，
具有原胞后可對結構進行超胞化和截面，如圖點擊Build—Symmetry—Supercell：
彈出Supercell設置會話框，根據需要自行設置三個方向大小，這里以3×3×3進行觀察，點擊Create Supercell完成超胞化
接著如圖點擊Build—Surfaces—Cleave Surface進行截面設置，彈出的Cleave Surface會話框里進行面選擇、截面結構起始、厚度等設置，Cleave plane（h k l）按照自己需要或者文獻設置，這里設為（1 0 0）；Top 是從什么位置開始截面；Thickness為截面結構的厚度，這里設置為兩層厚；
截面后的結構只在U、V方向上可以繼續進行超胞化
截面并超胞化的片層可以用于建層結構，如圖點擊Build—Build Layers
在Layer1和Layer2的Source documents框中選擇上面的片層結構
在Layer Details里可以設置層間距和方向
設置完成后點擊Build得到精確的狹縫模型。
展開 基于多孔介質模型的鉀熱管數值模擬 ￥300
為研究鉀熱管內傳熱傳質機理，對鉀熱管進行了數值模擬。建立了固液氣三相耦合數學模型。其中對吸液芯液體流動區域采用了多孔介質模型，該模型考慮了液體流動對熱管傳熱性能的影響。利 用ＰＨＯＥＮＩＣＳ３．６對數學模型進行數值計算，得到了熱管內的穩態工作參數。分析模擬結果得到了鉀熱管內部各相工質傳熱、傳質機理，并與試驗數據進行了比較。結果表明，模擬結果與試驗數據符合較好。
【文獻講解】基于多孔介質模型的鉀熱管數值模擬
基于多孔介質模型的鉀熱管數值模擬_韓冶(2).pdf
本案例模型及相關操作見附件、收費內容部分，凡購買本案例的朋友，結合附件中的模型（聯系我方可獲?。┘跋嚓P操作說明在仿真操作上還有什么疑問，請與我溝通交流。
展開 相場方法模擬多孔介質中的驅替 ￥248
提供采用相場方法模擬多孔介質中驅替的算例，可在此基礎上學會多孔介質中的驅替模擬，得到水驅油（或其他兩相）后多孔介質中的殘余油分布，計算采出程度隨時間的變化關系。附圖中分別給出了多孔介質為水濕和油濕條件下，多孔介質中的殘余油分布，案例鏈接附后。
COMSOL顆粒夾雜多孔介質多相材料達西滲流模擬
這里采用兩項材料通過COMSOL達西定律模塊對滲流進行模擬。
模型采用CAD隨機球體顆粒&過渡區插件建立后導入到COMSOL軟件內。
模型包括滲流發生的外側基體、內部顆粒、顆粒及基體過渡區（ITZ）三部分組成，由于內部顆粒的滲透系數遠小于基體，因此可將其省略，邊界置為無流動。設置過渡區的目的是在實際情況中，土體及內部碎石顆粒間往往會有孔隙，這就造成了接觸面的實際滲透率遠高于土體，模型剖切面如下。
模型設置左右兩側的水頭差，最終壓力及流速模擬結果如下。
