多孔介質(zhì)-Fluent模擬

多孔介質(zhì)模型適用的范圍非常廣泛，包括填充床，過(guò)濾紙，多孔板，流量分配器，還有管群，管束系統(tǒng)。當(dāng)使用這個(gè)模型的時(shí)候，多孔介質(zhì)將運(yùn)用于網(wǎng)格區(qū)域，流場(chǎng)中的壓降將由輸入的條件有關(guān)，見Section

orforinitializingthetooltoapositiononanexistingsurface.)在多孔介質(zhì)區(qū)域的邊界上面使用快照來(lái)使用平面或者線工具。(b)

旋轉(zhuǎn)工具軸到適宜的位置。(c)

一旦位置適宜以后，點(diǎn)擊updatefromplanetool或者updatefromlinetool選項(xiàng)，fluent就會(huì)自動(dòng)設(shè)定紅色箭頭防線為1－矢量，綠色箭頭方向?yàn)槎噶?。Touseaconicalcoordinatesystem(e.g.,foranannular,conicalfilterelement),followthestepsbelow.Thisoptionisavailableonlyin3Dcases.(a)

TurnontheConicaloption.(b)

SpecifytheConeAxisVectorandPointonConeAxis.TheconeaxisisspecifiedasbeinginthedirectionoftheConeAxisVector(unitvector),andpassingthroughthePointonConeAxis.Theconeaxismayormaynotpassthroughtheoriginofthecoordinatesystem.(c)

SettheConeHalfAngle(theanglebetweenthecone'saxisanditssurface,showninFigure

forinitializingthetooltoapositiononanexistingsurface.)(b)

Rotateandtranslatetheaxesofthetoolappropriatelyuntiltheredarrowofthetoolispointinginthedirectionoftheconeaxisvectorandtheoriginofthetoolisontheconeaxis.(c)

Oncetheaxesandoriginofthetoolarealigned,clickontheUpdateFromPlaneToolbuttonintheFluidpanel.FLUENTwillautomaticallysettheConeAxisVectorandthePointonConeAxis.(NotethatyouwillstillhavetosettheConeHalfAngleyourself.)2.

在粘性阻力下面定義粘性每個(gè)方向的阻力系數(shù)。在慣性阻力現(xiàn)面定義每個(gè)方向的慣性阻力。對(duì)于高非均質(zhì)多孔介質(zhì)慣性阻力，激活alternativeformulation選項(xiàng)，這個(gè)選項(xiàng)為非均項(xiàng)多孔介質(zhì)計(jì)算時(shí)候提供了一個(gè)更好的穩(wěn)定性。多孔介質(zhì)的壓降與速度的大小成正比。使用方程and

\l"fleq6.5.4"與\l"fleq6.5.13",各個(gè)方向的滲透阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)如下：(7.19-17)and(7.19-18)使用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)提取孔板湍流多孔介質(zhì)模型輸入?yún)?shù)第三個(gè)例子采用vanwinkle方程來(lái)計(jì)算矩形孔板壓降的多孔介質(zhì)模型輸入。文獻(xiàn)中作者采用的上矩形孔等邊三角形板表達(dá)式如下：(7.19-19)式中=孔板質(zhì)量流率=thefreeareaortotalareaoftheholes孔的總面積=theareaoftheplate(solidandholes)板的總面積=acoefficientthathasbeentabulatedforvariousReynolds-numberranges不同雷諾數(shù)和不同D/t對(duì)應(yīng)的系數(shù)

andforvarious=theratioofholediametertoplatethickness孔直徑與板厚度的比值當(dāng)t/D>1.6而且Re>4000，系數(shù)C大約為0.98，其中re數(shù)是基于孔直徑和孔內(nèi)速度。整理方程7.19－19，并帶入以下關(guān)系式：(7.19-20)并被板厚度相除，，得到：(7.19-21)式中v是虛假速度，而不是孔里面的速度。比擬方程7.19－6，可以看出垂直與板平面方向的常數(shù)c2如下：(7.19-22)使用查表數(shù)據(jù)得到流過(guò)纖維毯的層流多孔介質(zhì)參數(shù)考慮由隨機(jī)分布的玻璃纖維組成的毛毯和過(guò)濾板。做為blake－kozeny方程的替代方法，可以選擇列表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以運(yùn)用于很多過(guò)濾板volumefractionof

solidmaterialdimensionlesspermeability

ofglasswool0.2620.250.2580.260.2210.400.2180.410.1720.80式中，a是纖維直徑，用于方程7.19－4中，可以很簡(jiǎn)單的從給定的纖維直徑和體積分?jǐn)?shù)得到。根據(jù)實(shí)驗(yàn)壓降和速度數(shù)據(jù)得到多孔介質(zhì)系數(shù)對(duì)應(yīng)于多孔介質(zhì)內(nèi)速度的壓降實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠推廣來(lái)得到多孔介質(zhì)參數(shù)。厚度為的多孔介質(zhì)對(duì)應(yīng)的壓降，其多孔介質(zhì)參數(shù)由如下參數(shù)決定：如果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是如下：Velocity(m/s)PressureDrop(Pa)這時(shí)根據(jù)這些數(shù)據(jù)得到一個(gè)xy二維曲線，并得到以下方程：(7.19-23)式中，是壓降，v是速度。注意，動(dòng)量方程的一個(gè)簡(jiǎn)化版本就是將壓降與源項(xiàng)進(jìn)行相關(guān)，如下：(7.19-24)or(7.19-25)因此比擬方程7.19－23和方程7.19－2，得到曲線參數(shù)：(7.19-26)式中kg/m,and多孔介質(zhì)厚度,,被假設(shè)為1m，慣性阻力系數(shù),.Likewise,同理(7.19-27)式中,粘性阻力系數(shù)為,.

注意同樣的處理方式能被用于多孔介質(zhì)跳躍邊界條件。同樣你也需要考慮多孔介質(zhì)的厚度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也可以畫xy曲線，就像方程7－22－1，這樣就可以確定滲透阻力系數(shù)和壓降系數(shù)。使用冪函數(shù)模型選擇冪函數(shù)模型來(lái)近似多孔介質(zhì)動(dòng)量方程源項(xiàng)，需要輸入的參數(shù)只有c0和c1.在powerlawmodel中，輸入c0和c1參數(shù)，注意冪函數(shù)模型能與達(dá)西定律和慣性模型結(jié)合使用。C0必須為國(guó)際單位制，c1只能是常數(shù)。定義孔隙率在fluidporosity的porosity中定義孔隙率，這個(gè)輸入窗口在阻力輸入下面?？梢允褂糜脩糇远x函數(shù)來(lái)定義孔隙率。當(dāng)加載并編譯了udf以后，就可以在相應(yīng)的下來(lái)菜單中選用。注意必須使用DEFINE-PROFILE宏來(lái)定義udf。生成和使用udf的詳細(xì)信息見udf手冊(cè)?？紫堵示褪嵌嗫捉橘|(zhì)區(qū)域多孔介質(zhì)流體的體積分?jǐn)?shù)。孔隙率用來(lái)計(jì)算熱傳導(dǎo)見方程7.19.3和非定常流動(dòng)標(biāo)量方程的時(shí)間微分項(xiàng)見7.19.5節(jié)。它還影響到化學(xué)反響源項(xiàng)和體積力。這些源項(xiàng)與流體的體積成正比。如果介質(zhì)區(qū)域完成的，可以設(shè)定孔隙率為1。如果孔隙率為1，介質(zhì)的固體局部將對(duì)熱傳導(dǎo)或者熱、化學(xué)源項(xiàng)沒有影響。定義多孔介質(zhì)材料中選擇了多孔介質(zhì)的熱傳導(dǎo)模型，就必須定義多孔介質(zhì)的材料。下拉fluid面板的阻力輸入，在fluid孔隙率下面選擇適宜的solidmaterialname?？梢允褂胢aterial面板里面的edit來(lái)檢查或者修改其組成；這個(gè)面板只包含了所選材料的性質(zhì)，而不是標(biāo)準(zhǔn)材料面板里面的所有資料。在material面板中，可以定義udf的非各向同性熱傳導(dǎo)率。注意必須使用DEFINE-PROPERTY宏來(lái)定義非各向同性熱傳導(dǎo)率。定義源項(xiàng)如果需要計(jì)算多孔介質(zhì)能量方程的源項(xiàng)，激活sourceterm選項(xiàng)并設(shè)定一個(gè)非零的能量源項(xiàng)。求解器將計(jì)算熱生成率乘以網(wǎng)格里面的多孔介質(zhì)的體積。可以定義質(zhì)量，動(dòng)量，湍流，組分或者其它標(biāo)量方程的源項(xiàng)，見7.28節(jié)。定義固定值如果希望固定計(jì)算區(qū)域流體的某個(gè)或者多個(gè)值，而不是通過(guò)迭代來(lái)得到這些值，可以激活fixedvalues選項(xiàng)，見7.27節(jié)。壓制多孔介質(zhì)區(qū)域的湍流粘性就像7.19.4章節(jié)所講的，多孔介質(zhì)的湍流計(jì)算就像在沒有多孔介質(zhì)的主流動(dòng)中一樣。如果使用湍流，不包括les模型，假設(shè)你想讓多孔介質(zhì)區(qū)域的湍流生成率為0，激活laminarzone選項(xiàng)。參考7.17.1還有其它方法來(lái)壓制湍流生成。定義旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸和定義移動(dòng)區(qū)域旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸和移動(dòng)區(qū)域的設(shè)定方法與標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定方法一直，見7.17.1章節(jié)。就像7.19.1所述，fluent默認(rèn)是基于體積流率來(lái)計(jì)算虛假速度?？刂品匠汤锩娴奶摷偎俣瓤梢员硎境梢韵路绞剑?7.19-28)式中：r定義為孔隙率，是流體所占體積與總體積的比值。在多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)部的虛假速度與區(qū)域外的速度一樣。這樣的處理方式就不能計(jì)算了多孔介質(zhì)區(qū)域速度增加。在許多精確的數(shù)值模擬中，計(jì)算真實(shí)速度是必要的，或者物理速度，而不是計(jì)算虛假速度。Fluent用需基于物理速度的計(jì)算，使用solver面板的porousformulation。默認(rèn)superficialvelocity選項(xiàng)是選上的。使用物理速度方程，并假設(shè)通用標(biāo)量的各向異性多孔介質(zhì)的控制方程取下：(7.19-29)假設(shè)各向異性多孔介質(zhì)和單相流動(dòng)，體積平均質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程如下：(7.19-30)(7.19-31)第二個(gè)方程的最后一項(xiàng)代表多孔介質(zhì)壁面對(duì)流體的粘性和慣性力。

NotethatevenwhenyousolveforthephysicalvelocityinEquation

\l"eqn-porous-mom-phys-vel",thetworesistancecoefficientscanstillbederivedusingthesuperficialvelocityasgiveninSection

\l"sec-porous-resistance-inputs".FLUENTassumesthattheinputsfortheseresistancecoefficientsarebaseduponwell-establishedempiricalcorrelationsthatareusuallybasedonsuperficialvelocity.Therefore,FLUENTautomaticallyconvertstheinputsfortheresistancecoefficientsintothosethatarecompatiblewiththephysicalvelocityformulation.

Notethattheinletmassflowisalsocalculatedfromthesuperficialvelocity.Therefore,forthesamemassflowrateattheinletandthesameresistancecoefficients,foreitherthephysicalorsuperficialvelocityformulationyoushouldobtainthesamepressuredropacrosstheporousmediazone.7.19.8多孔介質(zhì)模型的求解策略一般情況下，可以使用標(biāo)準(zhǔn)求解過(guò)程和求解參數(shù)來(lái)模擬多孔介質(zhì)模型。當(dāng)滲透系數(shù)比擬小或者慣性系數(shù)比擬大的時(shí)候?qū)е聣航迪鄬?duì)較大，從而會(huì)導(dǎo)致收斂變慢。壓降做為動(dòng)量方程源項(xiàng)，使得對(duì)角占優(yōu)矩陣方程的優(yōu)勢(shì)降低從而導(dǎo)致求解速度降低。提供一個(gè)好的初始?jí)航导僭O(shè)是解決弱收斂性的方法。可以通過(guò)為多孔介質(zhì)的前后區(qū)域的壓力場(chǎng)打補(bǔ)丁的方式來(lái)獲得這個(gè)初值，描述見Section

\l"sec-patch".但是使用這個(gè)補(bǔ)丁壓力的四會(huì)后必須記住的是輸入的壓力值一定是求解器中的總壓，對(duì)應(yīng)于operatingconditionspanel面板中的操作壓力。另一個(gè)解決弱收斂性問(wèn)題的方法就是臨時(shí)取消多孔介質(zhì)模型，計(jì)算得到一個(gè)沒有多孔介質(zhì)影響的流場(chǎng)。取消多孔介質(zhì)模型以后，fluent就會(huì)將多孔介質(zhì)區(qū)域當(dāng)做一個(gè)流場(chǎng)區(qū)域并計(jì)算相應(yīng)的流場(chǎng)。一旦計(jì)算得到一個(gè)初始流場(chǎng)，或者計(jì)算到達(dá)