多孔介質
關注創建者：蜻蜓飛飛 創建時間：2018-09-06
多孔介質的視頻教程
多孔介質非熱平衡模型換熱問題的探究
主題：多孔介質非熱平衡模型換熱問題的探究 問題所在：在使用fluent內置多孔介質非熱平衡模型時，多孔介質域與殼體間涉及的面無耦合設置，即熱量無法傳遞到殼體。同樣，當外界存在換熱時也無法對多孔介質內部流體域及多孔介質域溫度場產生影響。
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fluent 多孔介質的應用
1、講述了多孔介質基本原理； 2、講述了多孔介質阻力參數的設置方法； 3、講述了平衡傳熱模型和非平衡傳熱模型的應用和原理； 4、講述了柯西定律在多孔介質中的應用；
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Ansys Fluent從零基礎到熟練掌握系列課（二）多孔介質
學習方法 2.案例2——多孔介質 a. 流程步驟 b. 多孔介質應用場景 c. 網格局部加密 d. 阻力系數 e. 孔隙率 f. 初始化方法 g. 物理速度和表面速度 點擊鏈接可直接跳轉到總的系列課程鏈接。
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多孔介質的實例教程
普通管道中的水流
孔隙介質實際流線
假想的流動
多孔介質
滲流受多孔介質特性影響。天然和人造的多孔介質普遍具有下列特征：空隙尺寸微小；比表面積數值很大。
多孔介質的特征使滲流具有下述特點
表面分子力作用顯著，毛細管作用突出
流動阻力較大，流動速度一般較慢，慣性力往往可忽略不計
多孔介質的性質
孔隙性 有效孔隙和死端孔隙
◆ 孔隙度：是多孔介質中孔隙體積與多孔介質總體積之比
◆ 有效孔隙：是多孔介質中相互連通的、不為結合水所占據的那一部分孔隙。
◆ 有效孔隙度：是多孔介質中有效孔隙體積與多孔介質總體積之比。
◆ 死端孔隙：是多孔介質中一端與其他孔隙連通、另一端是封閉的孔隙。
連通性 封閉和暢通、有效和無效
壓縮性 固體顆粒和孔隙的壓縮系數推導
多相性 固液氣三相可共存
影響滲流的各種力
油、氣、水能夠在多孔介質中滲流主要受以下幾種力的作用：
流體的重力
重力可能是動力也可能是阻力。
多孔介質的壓縮性及流體的彈性力
油氣存在于地下巖層內，未開采時巖石和流體都處于均衡受壓的平衡狀態。隨著油氣的不斷開采，油氣層內的壓力逐漸降低，上覆巖層和油層內壓力差逐漸增大，會導致巖石變形，造成巖石孔隙度減小即內部孔隙體積減小，多孔介質內流體逐漸向壓力低的方向流動。滲流方向也發生改變。
毛管力
多孔介質可以看成是固體內部存在許多個毛細管，這些毛細管散亂分布，互相連通。發生滲流時一種流體驅替另一種流體，在兩種流體交界面上產生壓力跳躍，這個壓力就稱為毛管壓力。
流體的粘性及粘滯力
流體在流動時，不同流速的流體間受分子間內聚力的影響會產生相互作用力，使速度低的加速，速度高的受到限制，流體的這種屬性稱為粘性。
展開 <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);">多孔介質就是固體物質內部和表面有許多孔隙，如海綿等，由固體物質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成的物質。多孔介質內的流體以滲流方式運動。</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自帶多孔介質模型，對于多孔介質的模擬，不考慮流體在多孔介質內部的流動，只考慮多孔介質對于流動阻力及能量方程產生的影響。
展開 進入21世紀以來，多孔介質材料的研究已經受到越來越多的關注。多孔介質的研究是一個涉及多學科、多領域的復雜問題，其廣泛存在于土壤、地下水資源、地下油氣藏、人體和動物組織與臟器、植物、復合材料、燃料電池、混凝土、陶瓷、紡織品及電腦和手機芯片等自然和工業系統中。為更深入地研究多孔介質，在不同行業中充分發揮數字巖心技術優勢，7月9日-11日，“第二屆國際多孔介質協會中國年會暨第四屆數字巖心分析技術國際研討會”在位于山東青島的中國石油大學（華東）舉行。來自中國、美國、德國、英國、澳大利亞、加拿大、沙特7個國家的高校、科研院所及企業的百余名研究人員參加會議。
大會共舉行27場專題報告，與會人員就孔隙級流動模擬、數字巖心分析技術、多尺度和多物理場問題求解等領域進行了廣泛交流與深入探討，展示了多孔介質相關領域前沿技術和發展方向。本屆年會與研討會由中國石油大學（華東）、國際多孔介質協會中國分會、中國力學學會滲流力學專業組、中國石油學會青年工作委員會、青島市科學技術協會聯合主辦，中國石油大學（華東）油氣滲流研究中心承辦。
會議開幕式由組委會副主任楊永飛副教授主持，中國石油大學（華東）副校長姚軍、國際多孔介質協會（InterPore）前主席Oleg Iliev出席并致開幕詞。姚軍對與會人員的到來表示歡迎，期待會上展示多孔介質滲流最新研究成果，希望會議的召開對我校學科建設和人才培養起到良好的推動作用。Oleg Iliev對多孔介質滲流與數字巖心分析的發展現狀和國際多孔介質協會進行簡要介紹。會議特邀張東曉、Birol Dindoruk、Abbas Firoozabadi、Roland N. Horne四位美國國家工程院院士進行主題報告。
展開 多孔介質是指內部含有眾多空隙的固體材料，如土壤、煤炭、木材、過濾器、催化床等。若采用詳細的模型結構及網格劃分處理，則會因為過多的網格數目而使計算量非常大，不能滿足工程上的實際需求，而多孔介質模型實質上是將多孔介質區域結合了以經驗假設為主的流動阻力，即動量源項。
圖1 多孔介質模型的應用
ANSYS Fluent中可將所需區域設定為多孔介質模型（見圖2），在cell zone conditions中勾選porous zone（通常認為在多孔介質模型內由于阻力原因，流動狀況為層流，故而同時勾選laminar zone）。在其界面中，可設置方向、粘性阻力系數、慣性阻力系數以及孔隙率等參數。其中粘性阻力系數及慣性阻力系數可通過多種方式確定其具體數值，如試驗法（風速及壓降的曲線擬合）、Ergun方程法、經驗方程法等等。
圖2 ANSYS Fluent中多孔介質模型的設置界面
通過一個簡單的仿真案例進行描述：一個用于汽車尾氣凈化的催化劑裝置，其中類似蜂窩結構的區域可認為是多孔區域模型（見圖3）。在ANSYS Fluent中設置求解器、材料、多孔區域、邊界條件等，初始化后進行仿真計算（多孔介質問題的初始化應采用standard initialization，見圖4）。
展開 Klinkenberg 參數 (Pa) 取決于多孔介質的滲透率，我們可以在文獻中查到 。
COMSOL 中的多孔介質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流動的其他模塊。
軟件中滲透率關系的位置。
非達西流，從微觀到宏觀尺度
那么，我們如何將這兩種方法聯系起來呢？第一個模型（REV）給出了速度對壓力梯度的關系，我們還可以確定孔隙率和滲透率。類似的，我們還可以觀察幾個數量級的壓降流動行為。由于結構復雜，孔隙結構模擬的計算成本相對較高，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雜。
使用宏觀方法可以得到非常好的近似值。達西定律適用于小壓降和低速流動，而 Burke–Plummer 方程適用于大壓降和高速流動。
Forchheimer 方程可以很好地計算過渡區域。在本文的示例中，將 Forchheimer 方程與來自微觀模型的數據相擬合，以獲得 Forchheimer 參數 ，該數據通常是在實驗中確定的。
本文我們從微觀和宏觀層面研究了多孔介質中的流動，并表明了：在各自的適用領域，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化模型就是使用 Forchheimer 方程模擬的一個工業應用例子。
在討論了通過多孔介質的流動之后，接下來的文章我們將討論多孔介質中的傳熱，敬請期待！
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新增交界面模型：多孔階躍交界面模型、域內風扇交界面模型，無需精細建模即可快速模擬多孔介質、風扇等部件的宏觀效應。
5、后處理升級
幀選擇器與多模式動畫：支持按時間步、物理時間切換后處理結果；新增穩態動畫、瞬態動畫、AI網格歷程動畫、DPM粒子動畫四種模式，提供播放控制與視頻、動態圖導出功能。
無縫傳遞熱 - 結構數據；支持熱膨脹、熱應力、熱疲勞評估
依賴熱分析精度；雙向耦合時求解成本高；需同時定義熱 / 結構材料屬性
高溫部件變形、焊接殘余應力、電子器件熱 - 機械失效
IcePak（電子散熱專用）
基于 Fluent 的電子散熱定制模塊，內置散熱器 / 風扇 / 多孔介質模型
RTM 仿真的核心模擬內容
樹脂流動與浸潤模擬這是 RTM 仿真的核心環節，基于達西定律（描述流體在多孔介質中的滲
流規律），模擬樹脂在纖維預制體孔隙中的流動路徑、前沿推進速度和壓力分布。目的是預測 干斑（樹脂未浸潤區域）、氣泡滯留等缺陷，優化澆口/溢流口的位置和數量，確定最佳注膠 壓力和速度。
屋頂冷水機組氣動噪聲分析7個月前
虛擬風洞的長寬高為50*50*25米；環境風速為0；換熱器設置為多孔介質；湍流模型為 Smagorinksy LES。
總格子數量為1.3億，物理時間3秒，采用8張V100 GPU 計算時間12.3小時。
本案例對埋地摻氫天然氣管道在土壤多孔介質影響下的氣體泄漏擴散規律展開了仿真計算。主要涉及到多孔介質，組分傳輸，局部初始化三個部分。計算模型依據相關文獻進行設置，對摻氫20%的天然氣泄漏擴散情況展開分析，通過對該案例的學習與掌握，后續可以對制定管道泄露應急決策方案進行相關指導。
CFD中沒有殼單元，而是用另一種簡化：多孔介質。
多孔介質指的是由骨架和大量微小空隙組成的物質。海綿，土壤，木材，都可以認為是多孔介質。
從流體角度看，多孔介質有兩個特點：由固體和流體組成；流體可以流過該區域，且存在流阻。
你看這兩個特點，管翅和板翅換熱器是不是也具備？于是，就可以考慮將復雜固體及其包含的空隙，整體打包，簡化為一塊多孔介質。
如此一來，什么復雜內部結構？
虛擬風洞的長寬高為50*50*25米；環境風速為0；換熱器設置為多孔介質；湍流模型為 Smagorinksy LES。
總格子數量為1.3億，物理時間3秒，采用8張V100 GPU 計算時間12.3小時。
金屬濾袋采用多孔介質邊界。算法采用SIMPLE算法，對流項采用一階迎風格式，固壁面設置為無滑移壁面，外界環境溫度40℃，灰斗壁面與外界的對流換熱系數為10w/m·k，假定流體是不可壓縮的，作定常流動。
煙氣出口outlet-1和輸灰出口outlet-2邊界條件為壓力出口（pressure-outlet），壓力值為0 Pa；
濾袋設置為多孔介質（porous zone）；
本次模擬湍流模型采用標準k-e模型，湍流流場的計算采用有限體積法離散控制方程，算法采用Simple算法，對流項采用一階迎風格式，近壁面采用壁面函數法處理。假定流體是不可壓縮的，作定常流動。
span style="color: rgb(25, 25, 25);">進口尺寸2.75m(長)*1.8m(寬）,水力直徑計算為2.176m，湍流強度計算為2.81%，氣體密度為0.779kg/m3，氣體粘度為2.50E-05Pa·s</span>，出口采用壓力出口（pressure-outlet），出口壓力設定為0Pa，湍流模型采用standard k-e模型，近壁面處采用無滑移邊界條件；催化劑采用多孔介質模型
