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NFX CFD多孔介质模型——流体在土壤海绵岩石等孔隙材料中的流动(上)

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各位工程师,大家好,本周和各位工程师分享多孔介质在CFD分析中针对土壤、海绵、岩石、过滤器、纸巾等多孔材料基于多孔介质模型的渗流分析,在NFX中的实现以及相关的背景知识。
1、什么是渗流&什么是多孔介质模型?
渗流是指流体在孔隙介质中的流动,在我们日常生活中常见的比如将干燥的海绵放在有积水的台面,海绵会主动吸收台面上的积水,并浸润自身;又比如农业里面常用到的滴灌技术,水滴会透过土壤,缓慢的到达植物根部等等,都是水流在孔隙介质中的流动。

常见的多孔介质材料

多孔介质是描述由多相物质所占据的共同空间,也是多相物质共存的一种组合体,没有固体骨架的那部分空间叫做孔隙,由液体或气体或气液两相共同占有,相对于其中一相来说,其他相都弥散在其中,并以固相为固体骨架,构成空隙空间的某些空洞相互连通。

多孔介质材料中的流体流动其实发生在我们所熟知各种的工程中的所有尺度范围内,从大规模的岩土地质区域到一片纸巾的厚度,从高流速渗流到低流速渗流甚至于蠕动流。基于多孔介质材料的渗流已经不是单纯的达西定律所描述的速度场和压力梯度之间的线性关系。

多孔介质模型用于分析诸如土壤、海绵、岩石、填充床,滤纸,多孔板,流量分配器和管束中的流体流动。实际中遇到上述模型时,网格划分将会遇到非常大的阻力,此时利用多孔介质的特性,可以有效避免无法创建网格的困扰。

2、NFX中的多孔介质模型实现原理

NFX中多孔介质材料的定义

运用多孔介质模型,我们无需建出实际多孔介质的构造,只需利用多孔介质特性表征流体流过该区域时的流体阻力,将压力损失反映在动量方程中。当考虑介质中的热传递时,将对能量方程进行适当修改并应用。

在低速流动的情况下,在多孔介质中发生的压力损失是由Darcy达西定律的孔隙率和粘度系数引起:

对于高速流动,包括与速度呈非线性关系的Forchheimer项。这两个术语称为粘性损失和惯性损失,通常出于流动分布等目的考虑每个方向的各向异性。

动量守恒方程式的源项包括压力损失量,符号为正的部分作为反应项,如果将其余部分视为生成项,则可获得数值上稳定的结果。

当考虑孔隙率时,介质内部的流体速度是基于体积的平均速度,和渗流速度不同,其关系如下。

当考虑流体在介质中的传热时,需要定义多孔介质的材料和孔隙率,以便于分析流体的多孔介质中的热传递,然而流体与多孔介质的对流并不会被考虑在内。

各向异性或各向同性的粘性阻抗和惯性阻抗

通过速度压力实验数据获取粘性阻抗和惯性阻抗等关键参数

从这个方程式可以看出压降与速度的关系呈现二次多项式。二次多项式的具体关系,一般通过实验数据拟合出,并结合上式获得粘性阻抗D和惯性阻抗C。

3、基于多孔介质模型的催化转换器渗流分析

计算案例模型介绍


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来源:midas机械部落
非线性多孔介质电子农业岩土NFX材料
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首次发布时间:2022-11-25
最近编辑:1年前
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