CFD中多孔介质计算及其工程应用

本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了多孔介质模型及其应用。多孔介质模型主要用于模拟固相和气相或(及)液相共存的空间区域，以简化计算。应用方面，多孔介质模型主要应用于风洞中蜂窝器的模拟、鸟类巢穴的保温模拟、鸡舍中成排肉鸡发热和通风的模拟以及地热发电模型。其中，多孔介质参数包括孔隙率、损失模型、损失速度类型、各向同性损失和方向性损失等。在计算过程中，需要根据实际情况选择合适的参数。

1.多孔介质模型简介

多孔介质模型主要用于模拟某空间内存在固相和气相或(及)液相的区域，以简化计算。简单来说，就是在原来很多细孔，管束，棒束等区域，采用简化模型，用纯流体区域代替这些复杂的区域。

2.应用

下面综合具体算例及其应用多孔介质的原因，进行分类说明本人见过的采用多孔介质区域的几种情况。。

1)风洞中honeyComb(蜂巢器)的模拟。

在工程技术和科学研究中，水槽和风洞中为了均匀来流，一般采用蜂窝器来达到此目的。此处的蜂窝器是一种比较规则的条孔状流道，采用真实模型也可以进行模拟。因此，此处采用多孔介质完全是为了避免过多网格造成计算机资源过多使用。

2)鸟类巢穴的保温模拟

为了避免采用两相或者多相模型带来的模型复杂性，某些林业的动物保温研究中可能要用到鸟类巢穴的模拟。由于巢穴处于是一种疏松多孔状态，很难直接对其进行模拟，尤其是在考虑流动对流换热的情况，因此这种情况更多采用多孔介质模型。但是通过实验测量巢穴的相关多孔介质系数相当困难。

图 鸟类巢穴示意图

3)鸡舍中成排肉鸡发热和通风的模拟

在这种情况下，虽然几何尺寸不算小，但是考虑到计算资源的可行性，而考虑采用多孔介质模型。

本人曾经计算一个真实算例是，在106 m *8.5 m *18m的空间内，养殖着6列10组168480只蛋鸡，为了计算该模型在春秋，夏，以及冬季的通风换热情况。所以这种情况的计算，根本无法采用真实模型进行计算，而只能采用多孔介质模型。而且，其中的多孔介质参数也很难设定，只能采用实地测量加估算的方法。

图：鸡舍示意图

4)地热发电模型。

图：地热发电模型中的多孔介质模型。

如图所示，通过人工压裂的裂缝，通过水与周围演示发生对流换热交换，从而从生产井中提取热水，热水能够用于发电。裂缝的宽度为1mm，而研究的范围在500*500m左右，裂缝压裂间距在100-150m左右。

本模型中，如果计算机足够强大虽然计算机资源能够满足计算，但是考虑到计算所用网格的一些性质，如长宽比(裂痕区域宽为1mm，长为500m)，相邻网格的尺寸变化率(fluent中要求相邻网格的尺寸缩放不能太大)。所以，最终的方法就是在裂纹中，将1mm的裂痕变为1m的多孔介质区域裂痕，从而使得CFD计算变为可能。多说一句，最后还是采用ansys cfx进行计算的，因为fluent对网格的要求更严格，虽然变为1m的多孔介质区域，但是网格长宽比还是十分巨大的。

2.CFX的多孔介质相关参数及其计算

采用CFX软件进行多孔介质模型进行求解设置时，一般有两种模式，一种是全多孔介质模型(Full Porous Model),如下图所示

一种是多孔介质损失模型(Porous Momentum Porosity),

对于多孔介质模型来说，存在一些重要参数。根据相关理论，对于损失系数来说，需要通过试验测量获得。但是出于种种原因，可能无法做实验。此时就要想到的一点是，通过数值(CFD)试验进行测量。即通过对真实模型或者模型的一部分进行CFD计算，通过与采用多孔介质的情况进行对比，来计算获得比较准确的多孔介质参数。

(1)孔隙率(Volume Porosity),就流体区域和整个流通区域的体积之比，该数值一般通过简单计算便可以获得；r

(2)损失模型(Loss Models)

1）损失速度类型(Loss VelocityType)

对于这一块，存在两种，即表观速度Vsuperficial和真实速度Vtrue。两者存在关系式

Vsuperficial= r*Vtrue，即由于多孔介质的存在，该区域的表观速度比真实速度小了。表观速度理解为单位时间通过所在区域的流量Q除以所在区域的截面积A，也就是假设该区域不存在多孔介质而是完全的流通通道。

在实际CFD计算中，两种速度都可以选择，只要实验和计算中使用一致便可以。

1)各向同性损失

A.渗透率(permeability) K或

其中分别表示通过多孔介质的体积流量，动力粘度，流通长度，横截面积，压差。

损失系数(Loss Coefficient)

其中分别表示流体的密度和速度。

如果采用线性阻力系数或二次方阻力系数来表示，则

2)方向性损失

A.流动方向(Streamwise direction)，主要给定三个方向的流动方向矢量(X/Y/Z Component），这三个数字，重点关心的是他们的比值，而不是具体值。如计算下来X:Y:Z=1:0：-2.8，如果写为2:0:-5.6，或-2:0:5.6都可以。

B.渗透率(permeability)或损失系数(Loss Coefficient)，线性阻力系数或二次方阻力系数。这些参数的给定与各向同性情况一致。

D.横向损失(Transverse Loss)。由于采用了方向性损失且给定了流动方向。所以，横向损失系数一般很大。