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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(xiàn)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)。

本文我們從微觀和宏觀層面研究了多孔介質(zhì)中的流動(dòng)，并表明了：在各自的適用領(lǐng)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(yōu)化模型就是使用 Forchheimer 方程模擬的一個(gè)工業(yè)應(yīng)用例子。在討論了通過(guò)多孔介質(zhì)的流動(dòng)之后，接下來(lái)的文章我們將討論多孔介質(zhì)中的傳熱，敬請(qǐng)期待！

一、概 要1）案例描述本案例針對(duì)某種多孔介質(zhì)歧管，采用多孔介質(zhì)模型、對(duì)流換熱壁面和湍流模型對(duì)歧管進(jìn)行流動(dòng)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(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)四面體為主的網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)67萬(wàn)。

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。

我們可以使用 COMSOL 軟件中的傳熱模塊的多孔介質(zhì)傳熱 接口和化學(xué)反應(yīng)工程模塊的稀物質(zhì)傳遞 接口中實(shí)現(xiàn)這些方程。為了將多孔介質(zhì)中的多相流動(dòng)與蒸發(fā)過(guò)程結(jié)合起來(lái)，這個(gè)過(guò)程需要一些步驟。結(jié)束語(yǔ)在這篇文章中，我們討論了使用 COMSOL? 軟件對(duì)多孔介質(zhì)中的熱濕傳遞進(jìn)行建模的功能。

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。

<p>本案例建立了一Mushroom二維模型，基于COMSOL軟件的多個(gè)物理場(chǎng)模塊：動(dòng)網(wǎng)格，湍流流動(dòng)，流體傳熱，水蒸氣和液態(tài)水兩個(gè)稀物質(zhì)傳遞，固體力學(xué)接口，模擬了Mushroom多孔介質(zhì)的流動(dòng)干燥、水分蒸發(fā)和收縮變形過(guò)程。

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。

<p><strong>1.概念介紹</strong></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">許多工業(yè)應(yīng)用，如過(guò)濾器、催化劑床和填料，都涉及到模擬通過(guò)多孔介質(zhì)的流動(dòng)。本案例為氣體通過(guò)催化轉(zhuǎn)換器的流動(dòng)。催化轉(zhuǎn)換器通常用于凈化汽油和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的所產(chǎn)生的廢氣，將有害環(huán)境的廢氣轉(zhuǎn)化為可接受的物質(zhì)。

ZHOU等[11]利用多孔介質(zhì)模型模擬了換熱器的阻力特性。Du等[12]利用多孔介質(zhì)模型簡(jiǎn)化了具有交錯(cuò)齒的板翅式換熱器內(nèi)部流道。第三種方法是換熱器的多尺度等效，同時(shí)具有微觀翅片參數(shù)和宏觀性能參數(shù)[13]。蘇峰華等[14]通過(guò)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(guò)使用多尺度多孔介質(zhì)模型提高了模擬的準(zhǔn)確性。

采用CAD圖像導(dǎo)入插件，將生成的多孔介質(zhì)模型導(dǎo)入到AutoCAD內(nèi)，并保存為.dxf文件。 在COMSOL內(nèi)選擇流體流動(dòng)-兩相流-相場(chǎng)-層流，并添加包含相初始化的瞬態(tài)研究。

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。

接下來(lái)你可以做試驗(yàn)，或者做一小段結(jié)構(gòu)的三維CFD模擬，得到一些流速與壓降數(shù)據(jù)。基于這些數(shù)據(jù)做二次曲線(xiàn)擬合，就得到了二次函數(shù)的系數(shù)。天洑智能熱流體仿真軟件AICFD支持多孔介質(zhì)模型。在設(shè)置時(shí)，將二次函數(shù)一次項(xiàng)和二次項(xiàng)系數(shù)，分別以粘性阻力和慣性阻力系數(shù)輸入，即可用規(guī)則的多孔介質(zhì)域模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)的流動(dòng)及換熱。多孔介質(zhì)無(wú)法模擬流動(dòng)細(xì)節(jié)，但能相當(dāng)準(zhǔn)確地模擬整體流動(dòng)特征。

通過(guò)將表達(dá)式（1）與Simcenter STAR-CCM+中多孔介質(zhì)中的壓降（2）聯(lián)立求解，我們可以導(dǎo)出模擬中使用的多孔系數(shù)的值；為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們可以將多孔粘性系數(shù)Pv設(shè)置為零，并僅使用多孔慣性系數(shù)Pi來(lái)對(duì)閥門(mén)行為進(jìn)行建模。

2.2自由和多孔介質(zhì)流動(dòng) 點(diǎn)擊自由和多空介質(zhì)流動(dòng)(fp1)，選擇燃料極所包括區(qū)域 點(diǎn)擊流體屬性，填寫(xiě)對(duì)應(yīng)的密度與粘度。（這里設(shè)置的是流道的流動(dòng)） 右鍵自由和多空介質(zhì)流動(dòng)(fp1)，添加流體與基體屬性，選擇對(duì)應(yīng)的區(qū)域，設(shè)置相應(yīng)的密度，粘度，孔隙率，滲透率。

多孔介質(zhì)是指內(nèi)部含有大量微小孔隙和通道的材料，如巖石、土壤等。在石油工程領(lǐng)域，多孔介質(zhì)中的孔隙為油和水提供了儲(chǔ)存空間和流動(dòng)路徑。本案例介紹COMSOL相場(chǎng)法進(jìn)行多孔介質(zhì)下的油水兩相驅(qū)替模型。

網(wǎng)格劃分需兼顧計(jì)算效率與精度，并確保流動(dòng)細(xì)節(jié)的捕捉能力。 提交計(jì)算查看流體在梯度多孔介質(zhì)中的壓力及流速模擬結(jié)果。