多孔介质模拟简介

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1、FLUENT多孔介质数值模拟设置FLUENT专题2009-08-1821:54:19阅读871评论5字号：大中小多孔介质条件多孔介质模型可以应用于很多问题，如通过充满介质的流动、通过过滤纸、穿孔圆盘、流量分配器以及管道堆的流动。当你使用这一模型时，你就定义了一个具有多孔介质的单元区域，而且流动的压力损失由多孔介质的动量方程中所输入的内容来决定。通过介质的热传导问题也可以得到描述，它服从介质和流体流动之间的热平衡假设，具体内容可以参考多孔介质中能量方程的处理一节。多孔介质的一维化简模型，被称为多孔

2、跳跃，可用于模拟具有已知速度/压降特征的薄膜。多孔跳跃模型应用于表面区域而不是单元区域，并且在尽可能的情况下被使用（而不是完全的多孔介质模型），这是因为它具有更好的鲁棒性，并具有更好的收敛性。详细内容请参阅多孔跳跃边界条件。多孔介质模型的限制如下面各节所述，多孔介质模型结合模型区域所具有的阻力的经验公式被定义为“多孔”。事实上多孔介质不过是在动量方程中具有了附加的动量损失而已。因此，下面模型的限制就可以很容易的理解了。l流体通过介质时不会加速，因为事实上出现的体积的阻塞并没有在模型中出现。这对于

3、过渡流是有很大的影响的，因为它意味着FLUENT不会正确的描述通过介质的过渡时间。l多孔介质对于湍流的影响只是近似的。详细内容可以参阅湍流多孔介质的处理一节。多孔介质的动量方程多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。源项由两部分组成，一部分是粘性损失项(Darcy)，另一个是内部损失项：其中S_i是i向(x,y,orz)动量源项，D和C是规定的矩阵。在多孔介质单元中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度（或速度方阵）成比例。对于简单的均匀多孔介质：其中a是渗透性，C_2时内部阻力因子，简单的

4、指定D和C分别为对角阵1/a和C_2其它项为零。FLUENT还允许模拟的源项为速度的幂率：其中C_0和C_1为自定义经验系数。注意：在幂律模型中，压降是各向同性的，C_0的单位为国际标准单位。多孔介质的Darcy定律通过多孔介质的层流流动中，压降和速度成比例，常数C_2可以考虑为零。忽略对流加速以及扩散，多孔介质模型简化为Darcy定律：在多孔介质区域三个坐标方向的压降为：其中为多孔介质动量方程1中矩阵D的元素vj为三个方向上的分速度，Dn_x、Dn_y、以及Dn_z为三个方向上的介质厚度。在这

5、里介质厚度其实就是模型区域内的多孔区域的厚度。因此如果模型的厚度和实际厚度不同，你必须调节1/a_ij的输入。.多孔介质的内部损失在高速流动中，多孔介质动量方程1中的常数C_2提供了多孔介质内部损失的矫正。这一常数可以看成沿着流动方向每一单位长度的损失系数，因此允许压降指定为动压头的函数。如果你模拟的是穿孔板或者管道堆，有时你可以消除渗透项而只是用内部损失项，从而得到下面的多孔介质简化方程：写成坐标形式为：多孔介质中能量方程的处理对于多孔介质流动，FLUENT仍然解标准能量输运方程，只是修改了传

6、导流量和过度项。在多孔介质中，传导流量使用有效传导系数，过渡项包括了介质固体区域的热惯量：其中：h_f=流体的焓h_s=固体介质的焓f=介质的多孔性k_eff=介质的有效热传导系数S^h_f=流体焓的源项S^h_s=固体焓的源项多孔介质的有效传导率多孔区域的有效热传导率k_eff是由流体的热传导率和固体的热传导率的体积平均值计算得到：其中：f=介质的多孔性k_f=流体状态热传导率（包括湍流的贡献k_t）k_s=固体介质热传导率如果得不到简单的体积平均，可能是因为介质几何外形的影响。有效传导率可以

7、用自定义函数来计算。然而，在所有的算例中，有效传导率被看成介质的各向同性性质。多孔介质中的湍流处理在多孔介质中，默认的情况下FLUENT会解湍流量的标准守恒防城。因此，在这种默认的方法中，介质中的湍流被这样处理：固体介质对湍流的生成和耗散速度没有影响。如果介质的渗透性足够大，而且介质的几何尺度和湍流涡的尺度没有相互作用，这样的假设是合情合理的。但是在其它的一些例子中，你会压制了介质中湍流的影响。如果你使用k-e模型或者Spalart-Allmaras模型，你如果设定湍流对粘性的贡献m_t为零，你

8、可能会压制了湍流对介质的影响。当你选择这一选项时，FLUENT会将入口湍流的性质传输到介质中，但是它对流动混合和动量的影响被忽略了。除此之外，在介质中湍流的生成也被设定为零。要实现这一解策略，请在流体面板中打开层流选项。激活这个选项就意味着多孔介质中的m_t为零，湍流的生成也为零。如果去掉该选项（默认）则意味着多孔介质中的湍流会像大体积流体流动一样被计算。。概述模拟多孔介质流动时，对于问题设定需要的附加输入如下：1.定义多孔区域2.确定流过多孔区域的流体材料3.设定粘性系数（多孔介质动量方程3中