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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。

一、概 要1）案例描述本案例針對某種多孔介質歧管，采用多孔介質模型、對流換熱壁面和湍流模型對歧管進行流動傳熱仿真，案例最后可以看到歧管的壓力和溫度分布情況。2）網格采用非結構四面體為主的網格，網格數67萬。

<p><strong>1.概念介紹</strong></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">許多工業應用，如過濾器、催化劑床和填料，都涉及到模擬通過多孔介質的流動。本案例為氣體通過催化轉換器的流動。催化轉換器通常用于凈化汽油和柴油發動機的所產生的廢氣，將有害環境的廢氣轉化為可接受的物質。

模型介紹 如圖2所示，建立矩形（2mm×5mm）隨機圓形的多孔區域，圓形孔隙率為0.6，圓形隨機分布服從正態分布。底部為液體區域，兩邊作為入口壓力邊界，入口壓力為液體重力所帶來的靜壓力。出口壓力靜壓力為0Pa。圖 2 多孔介質毛細示意圖3.

Du等[12]利用多孔介質模型簡化了具有交錯齒的板翅式換熱器內部流道。第三種方法是換熱器的多尺度等效，同時具有微觀翅片參數和宏觀性能參數[13]。蘇峰華等[14]通過微尺度單元模擬分析和全尺寸模型分析了整體傳熱性能。HUANG等[15]通過使用多尺度多孔介質模型提高了模擬的準確性。為了使試驗結果與實際更貼合，使用多孔介質模型簡化疊片式發動機機油冷卻器的水側流道，建立用于壓降計算的等效仿真模型。

所需的輸入數據（最低要求）為：-閥門噴嘴/擋板的流通面積-作為系統壓力函數的閥門流量特性曲線（見下圖中的示例） 流體介質需要是已知的，在本例中被認為是理想氣體（空氣）。

當環境空氣流經多孔介質時，會攜帶水分。在這個過程中，溫度和水分相互影響：水汽的飽和度取決于溫度條件，而蒸發和凝結導致的潛熱效應會改變溫度。上一篇文章中，我們討論了空氣中的熱濕傳遞。接下來，我們討論需要考慮的孔隙中的熱濕傳遞過程，以及如何用 COMSOL Multiphysics? 軟件模擬多孔介質中的熱濕傳遞。

整個過程沒有碳排放，對環境友好，實現真正的綠氫生產，具有廣闊的市場和前景。2.Comsol設置 啟動Comsol軟件選擇二維軸對稱 選擇自由和多孔介質流動、濃物質傳遞、二次電流分布和多孔介質傳熱模塊 選擇穩態求解器2.1幾何與網格設置 進入幾何面板，更改單位為um。

如管殼式熱交換器中管程、殼程的分程就是加大流速、增加流程長度和擾動的措施之一。管內湍流時增加流速對增強傳熱能收到較顯著的效果，但又須注意增加流速也受到各種因素的限制。因此，在設計或實際使用中應權衡各種因素，選擇最佳流速或為流體輸送機械所允許的流速。

但若為各向異性，則方向1矢量表示多孔介質的第一個主方向為x方向，方向2矢量表示多孔介質的第二個主方向為y方向，第三個方向與這兩個方向垂直，不必指定。

多孔結構傳熱模擬涉及對多孔介質內部復雜的熱量傳遞過程進行建模和分析，這類模擬對于優化材料設計、提高能源效率以及解決環境問題等方面具有重要意義。本案例介紹在COMSOL內建立全連通多孔結構幾何模型，并將孔隙及基體劃分兩相材料，進行多孔結構的傳熱仿真模擬。

對于填充床，Ergun 方程非常有用，可以使用以下關系式：(5)在高雷諾數下，與慣性效應相比，黏性效應較小，并且 Ergun 方程中的非線性項占主導地位，被稱為 Burke-Plummer 方程。這些方程對多孔介質的非線性流動具有了一定的描述性，這在圖表中會更便于觀察。為了更好地觀察，我們以平均粒徑 (mm) 的填充床中速度與壓降的關系為例來說明。

在太陽能利用中，在集熱器的吸熱表面上涂以選擇性物質薄層，以提高其對太陽光的吸收率和降低其發射率，達到增強對輻射熱的吸收和減少輻射熱損失的目的。

滲流場方程由流體質量守恒方程和Darcy定律得：式中：式中：εv—為體積應變；I—介質的孔隙率；βl—孔隙流體的體積模量（Pa);t—時間（s);k—連續介質固有的滲透率（m2）；μl—流體的動力粘性系數（Pa.s）；ρl—流體密度（kg/m2);g—重力加速度（m/s2）。

需要考慮所有相關的熱源：發動機、排氣系統、散熱器、冷凝器和風扇。他們需要一種能夠處理大規模耦合仿真的求解器，同時在一個仿真中考慮外部流動、旋轉組件、多孔介質、共軛傳熱、熱交換器建模和輻射。Omnis Open-DBS 就是他們的答案。對于網格劃分，他們使用了Omnis Hexpress，特別關注非結構化、共形、多塊網格劃分，為復雜、詳細的網格提供了令人印象深刻的周轉速度。

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！

接下來的步驟是使用智能熱流體仿真軟件AICFD來還原它的散熱過程，看看計算后得到的散熱結果怎么樣，能不能控制在40度以內。 仿真所使用的這臺計算機的參數（環境）是： 處理器：i7-12700 2.10GHz，內存：32GB，操作系統：windows 11家庭中文版。 1. 打開AICFD，新建工程，導入模型。