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)使用這個模型的時候，多孔介質(zhì)將運用于網(wǎng)格區(qū)域，流場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，點擊updatefromplanetool或者updatefromlinetool選項，fluent就會自動設(shè)定紅色箭頭防線為1－矢量，綠色箭頭方向為二矢量。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方向的阻力系數(shù)。在慣性阻力現(xiàn)面定義每個方向的慣性阻力。對于高非均質(zhì)多孔介質(zhì)慣性阻力，激活alternativeformulation選項，這個選項為非均項多孔介質(zhì)計算時候提供了一個更好的穩(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)驗公式來提取孔板湍流多孔介質(zhì)模型輸入?yún)?shù)第三個例子采用vanwinkle方程來計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)得到流過纖維毯的層流多孔介質(zhì)參數(shù)考慮由隨機分布的玻璃纖維組成的毛毯和過濾板。做為blake－kozeny方程的替代方法，可以選擇列表的實驗數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以運用于很多過濾板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，可以很簡單的從給定的纖維直徑和體積分?jǐn)?shù)得到。根據(jù)實驗壓降和速度數(shù)據(jù)得到多孔介質(zhì)系數(shù)對應(yīng)于多孔介質(zhì)內(nèi)速度的壓降實驗數(shù)據(jù)，能夠推廣來得到多孔介質(zhì)參數(shù)。厚度為的多孔介質(zhì)對應(yīng)的壓降，其多孔介質(zhì)參數(shù)由如下參數(shù)決定：如果實驗數(shù)據(jù)是如下：Velocity(m/s)PressureDrop(Pa)這時根據(jù)這些數(shù)據(jù)得到一個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，動量方程的一個簡化版本就是將壓降與源項進(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。實驗數(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)模型來近似多孔介質(zhì)動量方程源項，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，這個輸入窗口在阻力輸入下面?？梢允褂糜脩糇远x函數(shù)來定義孔隙率。當(dāng)加載并編譯了udf以后，就可以在相應(yīng)的下來菜單中選用。注意必須使用DEFINE-PROFILE宏來定義udf。生成和使用udf的詳細(xì)信息見udf手冊?？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)?？紫堵视脕碛嬎銦醾鲗?dǎo)見方程7.19.3和非定常流動標(biāo)量方程的時間微分項見7.19.5節(jié)。它還影響到化學(xué)反響源項和體積力。這些源項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)的固體局部將對熱傳導(dǎo)或者熱、化學(xué)源項沒有影響。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。可以使用material面板里面的edit來檢查或者修改其組成；這個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宏來定義非各向同性熱傳導(dǎo)率。定義源項如果需要計算多孔介質(zhì)能量方程的源項，激活sourceterm選項并設(shè)定一個非零的能量源項。求解器將計算熱生成率乘以網(wǎng)格里面的多孔介質(zhì)的體積?？梢远x質(zhì)量，動量，湍流，組分或者其它標(biāo)量方程的源項，見7.28節(jié)。定義固定值如果希望固定計算區(qū)域流體的某個或者多個值，而不是通過迭代來得到這些值，可以激活fixedvalues選項，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)的湍流計算就像在沒有多孔介質(zhì)的主流動中一樣。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。參考7.17.1還有其它方法來壓制湍流生成。定義旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸和定義移動區(qū)域旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸和移動區(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)是基于體積流率來計算虛假速度?？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，計算真實速度是必要的，或者物理速度，而不是計算虛假速度。Fluent用需基于物理速度的計算，使用solver面板的porousformulation。默認(rèn)superficialvelocity選項是選上的。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，體積平均質(zhì)量和動量守恒方程如下：(7.19-30)(7.19-31)第二個方程的最后一項代表多孔介質(zhì)壁面對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)求解過程和求解參數(shù)來模擬多孔介質(zhì)模型。當(dāng)滲透系數(shù)比擬小或者慣性系數(shù)比擬大的時候?qū)е聣航迪鄬^大，從而會導(dǎo)致收斂變慢。壓降做為動量方程源項，使得對角占優(yōu)矩陣方程的優(yōu)勢降低從而導(dǎo)致求解速度降低。提供一個好的初始壓降假設(shè)是解決弱收斂性的方法?？梢酝ㄟ^為多孔介質(zhì)的前后區(qū)域的壓力場打補丁的方式來獲得這個初值，描述見Section

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