FLUENT滤网局部阻力损失的估算与多孔介质模型应用
所谓多孔介质是指由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所构成的物质。多孔介质内的微小空隙可能是互相连通的，也可能是部分连通、部分不连通的（360百科）。多孔介质在流动与传热中起的作用通常是增大流动阻力、提高传热性能，另外在增强化学反应中也有很多应用。今天，我们做一个滤网的局部阻力计算案例。 假设有一个滤网的网孔大小为1.5mm×1.5mm，网丝的截面为0.5mm×0.5mm，将其用于管段内空气的过滤，阻止尺寸大于网孔尺寸的颗粒物流到下游。若管道的尺寸远大于网孔尺寸，那么采用整体建模的方法网格数量将超级巨大，对计算资源带来相当大的挑战（如下图）。如果已有了滤网的阻力特性参数，那么完全可以用多孔介质模型来模拟流动压降。如果尚没有特性参数呢，也可以用FLUENT进行仿真估算，这也是本案例要演示的思路。 如前所述，整个滤网和管道建模不太现实，假设忽略管道壁面的摩擦阻力，则每个网孔的流动情况是一样的，那么可以认为整个管道截面的流动是由每个网孔的流动组合而成，为此可考虑取其中的一个网孔单元建模，如下图。这样，流道的四周均设定成对称边界，其余按常用边界设定，速度入口、压力出口和网丝壁面，由于四周不是壁面，因此网格划分时不需要细化。 管道介质为空气，密度1.225kg/m3，动力粘度1.7854e-5Pa·s。 分别设置不同的入口速度，得到压损和速度的关系如下图，并对其进行拟合得到关系式ΔP=1.423v2（理想的拟合公式应该是ΔP=av2+bv，a、b均为正），该公式对后续的多孔介质模型有使用价值。 另外，我们看一下单孔模型的速度和压力云图，捕捉了速度和压力的局部细节，这就是数值模拟的价值所在。理想的研究姿势就是再进行实验测试，验证一下数值仿真的误差，证明可靠性。但是对于简单的单相流动，笔者认为数值仿真结果可以一定程度上替代实验，节省成本。 根据以上的仿真结果，我们再建立一个用于多孔介质仿真的几何模型。这是一种简化模型，滤网的细节不进行建模，取而代之的是一个面（也可以是一个计算域），注意：该几何模型的流道截面为40mm×40mm，网格数量远小于以上的模型。 这里稍微补充一下FLUENT的多孔介质模型，在Fluent中，对多孔介质的处理是在动量方程中增加一个动量源项来模拟多孔介质的作用。源项由粘性损失项和惯性损失项两部分组成，分别是以下方程的右端两项。 对于简单的均质多孔介质可以简化成如下形式，式中α为渗透系数，C2为惯性阻力系数 于是，多孔介质的压降按如下计算，其中Δm为多孔介质区域的厚度。 本案例的多孔介质为滤网，厚度很小，因此不可能单独建立计算域，而是用面来替代，此时可以用多孔介质模型的多孔跳跃（porous jump），该模型在边界条件面板中进行设置。需要输入如下三个参数：1）表面渗透系数，即α，m2，其倒数即为粘性阻力系数1/m2； 根据以上的拟合公式，各参数设置如下，其中表面渗透率为无穷大，软件的最大值可设定为1e20。 其他边界条件根据前文设定，得出滤网的压损和速度的关系，并与单孔模型对比如下，可以看到两者非常接近。因此，可以用该多孔介质参数用于管道流动模拟，以获得加入滤网后管道内部流动压力损失。 另外，我们看以下多孔介质模型的流道速度和压力云图，可以看出流道的介质流速是均匀的，压力也呈现理想跳跃变化趋势。说明采用多孔介质模型无法模拟流动的细节，只能获得多孔介质呈现的整体局部阻力特性，这也是该模式的使用限制之一。 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-07-05
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