fluent 中多孔介質(zhì)的設(shè)定

2017-01-15 by:CAE仿真在線(xiàn) 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

多孔介質(zhì)條件

多孔介質(zhì)模型可以應(yīng)用于很多問(wèn)題,如通過(guò)充滿(mǎn)介質(zhì)的流動(dòng)、通過(guò)過(guò)濾紙、穿孔圓盤(pán)、流量分配器以及管道堆的流動(dòng)。當(dāng)你使用這一模型時(shí),你就定義了一個(gè)具有多孔介質(zhì)的單元區(qū)域,而且流動(dòng)的壓力損失由多孔介質(zhì)的動(dòng)量方程中所輸入的內(nèi)容來(lái)決定。通過(guò)介質(zhì)的熱傳導(dǎo)問(wèn)題也可以得到描述,它服從介質(zhì)和流體流動(dòng)之間的熱平衡假設(shè),具體內(nèi)容可以參考多孔介質(zhì)中能量方程的處理一節(jié)。

多孔介質(zhì)的一維化簡(jiǎn)模型,被稱(chēng)為多孔跳躍,可用于模擬具有已知速度/壓降特征的薄膜。多孔跳躍模型應(yīng)用于表面區(qū)域而不是單元區(qū)域,并且在盡可能的情況下被使用(而不是完全的多孔介質(zhì)模型),這是因?yàn)樗哂懈玫聂敯粜?并具有更好的收斂性。詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱多孔跳躍邊界條件。

多孔介質(zhì)模型的限制

如下面各節(jié)所述,多孔介質(zhì)模型結(jié)合模型區(qū)域所具有的阻力的經(jīng)驗(yàn)公式被定義為“多孔”。事實(shí)上多孔介質(zhì)不過(guò)是在動(dòng)量方程中具有了附加的動(dòng)量損失而已。因此,下面模型的限制就可以很容易的理解了。

l 流體通過(guò)介質(zhì)時(shí)不會(huì)加速,因?yàn)槭聦?shí)上出現(xiàn)的體積的阻塞并沒(méi)有在模型中出現(xiàn)。這對(duì)于過(guò)渡流是有很大的影響的,因?yàn)樗馕吨?/span>FLUENT不會(huì)正確的描述通過(guò)介質(zhì)的過(guò)渡時(shí)間。

l 多孔介質(zhì)對(duì)于湍流的影響只是近似的。詳細(xì)內(nèi)容可以參閱湍流多孔介質(zhì)的處理一節(jié)。

多孔介質(zhì)的動(dòng)量方程

多孔介質(zhì)的動(dòng)量方程具有附加的動(dòng)量源項(xiàng)。源項(xiàng)由兩部分組成,一部分是粘性損失項(xiàng) (Darcy),另一個(gè)是內(nèi)部損失項(xiàng):

其中S_i是i向(x, y, or z)動(dòng)量源項(xiàng),D和C是規(guī)定的矩陣。在多孔介質(zhì)單元中,動(dòng)量損失對(duì)于壓力梯度有貢獻(xiàn),壓降和流體速度(或速度方陣)成比例。

對(duì)于簡(jiǎn)單的均勻多孔介質(zhì):

其中a是滲透性,C_2時(shí)內(nèi)部阻力因子,簡(jiǎn)單的指定D和C分別為對(duì)角陣1/a 和C_2其它項(xiàng)為零。

FLUENT還允許模擬的源項(xiàng)為速度的冪率:

其中C_0和C_1為自定義經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

注意:在冪律模型中,壓降是各向同性的,C_0的單位為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位。

多孔介質(zhì)的Darcy定律

通過(guò)多孔介質(zhì)的層流流動(dòng)中,壓降和速度成比例,常數(shù)C_2可以考慮為零。忽略對(duì)流加速以及擴(kuò)散,多孔介質(zhì)模型簡(jiǎn)化為Darcy定律:

在多孔介質(zhì)區(qū)域三個(gè)坐標(biāo)方向的壓降為:

其中為多孔介質(zhì)動(dòng)量方程1中矩陣D的元素vj為三個(gè)方向上的分速度,D n_x、 D n_y、以及D n_z為三個(gè)方向上的介質(zhì)厚度。

在這里介質(zhì)厚度其實(shí)就是模型區(qū)域內(nèi)的多孔區(qū)域的厚度。因此如果模型的厚度和實(shí)際厚度不同,你必須調(diào)節(jié)1/a_ij的輸入。.

多孔介質(zhì)的內(nèi)部損失

在高速流動(dòng)中,多孔介質(zhì)動(dòng)量方程1中的常數(shù)C_2提供了多孔介質(zhì)內(nèi)部損失的矯正。這一常數(shù)可以看成沿著流動(dòng)方向每一單位長(zhǎng)度的損失系數(shù),因此允許壓降指定為動(dòng)壓頭的函數(shù)。

如果你模擬的是穿孔板或者管道堆,有時(shí)你可以消除滲透項(xiàng)而只是用內(nèi)部損失項(xiàng),從而得到下面的多孔介質(zhì)簡(jiǎn)化方程:

寫(xiě)成坐標(biāo)形式為:

多孔介質(zhì)中能量方程的處理

對(duì)于多孔介質(zhì)流動(dòng),FLUENT仍然解標(biāo)準(zhǔn)能量輸運(yùn)方程,只是修改了傳導(dǎo)流量和過(guò)度項(xiàng)。在多孔介質(zhì)中,傳導(dǎo)流量使用有效傳導(dǎo)系數(shù),過(guò)渡項(xiàng)包括了介質(zhì)固體區(qū)域的熱慣量:

其中:

h_f=流體的焓

h_s=固體介質(zhì)的焓

f=介質(zhì)的多孔性

k_eff=介質(zhì)的有效熱傳導(dǎo)系數(shù)

S^h_f=流體焓的源項(xiàng)

S^h_s=固體焓的源項(xiàng)

多孔介質(zhì)的有效傳導(dǎo)率

多孔區(qū)域的有效熱傳導(dǎo)率k_eff是由流體的熱傳導(dǎo)率和固體的熱傳導(dǎo)率的體積平均值計(jì)算得到:

其中:

f=介質(zhì)的多孔性

k_f=流體狀態(tài)熱傳導(dǎo)率(包括湍流的貢獻(xiàn)k_t)

k_s=固體介質(zhì)熱傳導(dǎo)率

如果得不到簡(jiǎn)單的體積平均,可能是因?yàn)榻橘|(zhì)幾何外形的影響。有效傳導(dǎo)率可以用自定義函數(shù)來(lái)計(jì)算。然而,在所有的算例中,有效傳導(dǎo)率被看成介質(zhì)的各向同性性質(zhì)。

多孔介質(zhì)中的湍流處理

在多孔介質(zhì)中,默認(rèn)的情況下FLUENT會(huì)解湍流量的標(biāo)準(zhǔn)守恒防城。因此,在這種默認(rèn)的方法中,介質(zhì)中的湍流被這樣處理:固體介質(zhì)對(duì)湍流的生成和耗散速度沒(méi)有影響。如果介質(zhì)的滲透性足夠大,而且介質(zhì)的幾何尺度和湍流渦的尺度沒(méi)有相互作用,這樣的假設(shè)是合情合理的。但是在其它的一些例子中,你會(huì)壓制了介質(zhì)中湍流的影響。

如果你使用k-e模型或者Spalart-Allmaras模型,你如果設(shè)定湍流對(duì)粘性的貢獻(xiàn)m_t為零,你可能會(huì)壓制了湍流對(duì)介質(zhì)的影響。當(dāng)你選擇這一選項(xiàng)時(shí),FLUENT會(huì)將入口湍流的性質(zhì)傳輸?shù)浇橘|(zhì)中,但是它對(duì)流動(dòng)混合和動(dòng)量的影響被忽略了。除此之外,在介質(zhì)中湍流的生成也被設(shè)定為零。要實(shí)現(xiàn)這一解策略,請(qǐng)?jiān)诹黧w面板中打開(kāi)層流選項(xiàng) 。激活這個(gè)選項(xiàng)就意味著多孔介質(zhì)中的m_t為零,湍流的生成也為零。如果去掉該選項(xiàng)(默認(rèn))則意味著多孔介質(zhì)中的湍流會(huì)像大體積流體流動(dòng)一樣被計(jì)算。。

概述

模擬多孔介質(zhì)流動(dòng)時(shí),對(duì)于問(wèn)題設(shè)定需要的附加輸入如下:

1. 定義多孔區(qū)域

2. 確定流過(guò)多孔區(qū)域的流體材料

3. 設(shè)定粘性系數(shù)(多孔介質(zhì)動(dòng)量方程3中的1/a_ij)以及內(nèi)部阻力系數(shù)(多孔介質(zhì)動(dòng)量方程3中的C_2_ij),并定義應(yīng)用它們的方向矢量。冪率模型的系數(shù)也可以選擇指定。

4. 定義多孔介質(zhì)包含的材料屬性和多孔性

5. 設(shè)定多孔區(qū)域的固體部分的體積熱生成速度(或任何其它源項(xiàng),如質(zhì)量、動(dòng)量)(此項(xiàng)可選)。

6. 如果合適的話(huà),限制多孔區(qū)域的湍流粘性。

7. 如果相關(guān)的話(huà),指定旋轉(zhuǎn)軸和/或區(qū)域運(yùn)動(dòng)。

在定義粘性和內(nèi)部阻力系數(shù)中描述了決定阻力系數(shù)和/或滲透性的方法。如果你使用多孔動(dòng)量源項(xiàng)的冪律近似,你需要輸入多孔介質(zhì)動(dòng)量方程5中的C_0和C_1來(lái)取代阻力系數(shù)和流動(dòng)方向。

在流體面板中(下圖)你需要設(shè)定多孔介質(zhì)的所有參數(shù),該面板是從邊界條件菜單中打開(kāi)的(詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱邊界條件的設(shè)定一節(jié))

Figure 1:多孔區(qū)域的流體面板

定義多孔區(qū)域

正如定義邊界條件概述中所提到的,多孔區(qū)域是作為特定類(lèi)型的流體區(qū)域來(lái)模擬的。亞表明流體區(qū)域是多孔區(qū)域,請(qǐng)?jiān)诹黧w面板中激活多孔區(qū)域選項(xiàng)。面板會(huì)自動(dòng)擴(kuò)展到多孔介質(zhì)輸入狀態(tài)。

定義穿越多孔介質(zhì)的流體

在材料名字下拉菜單中選擇適當(dāng)?shù)牧黧w就可以定義通過(guò)多孔介質(zhì)的流體了。如果你模擬組分輸運(yùn)或者多相流,流體面板中就不會(huì)出現(xiàn)材料名字下拉菜單了。對(duì)于組分計(jì)算,所有流體和/或多孔區(qū)域的混合材料就是你在組分模型面板中指定的材料。對(duì)于多相流模型,所有流體和/或多孔區(qū)域的混合材料就是你在多相流模型面板中指定的材料。

定義粘性和內(nèi)部阻力系數(shù)

粘性和內(nèi)部阻力系數(shù)以相同的方式定義。使用笛卡爾坐標(biāo)系定義系數(shù)的基本方法是在二維問(wèn)題中定義一個(gè)方向矢量,在三維問(wèn)題中定義兩個(gè)方向矢量,然后在每個(gè)方向上指定粘性和/或阻力系數(shù)。在二維問(wèn)題中第二個(gè)方向沒(méi)有明確定義,它是垂直于指定的方向矢量和z向矢量所在的平面的。在三維問(wèn)題中,第三個(gè)方向矢量是垂直于所指定的兩個(gè)方向矢量所在平面的。對(duì)于三維問(wèn)題,第二個(gè)方向矢量必須垂直于第一個(gè)方向矢量。如果第二個(gè)方向矢量指定失敗,解算器會(huì)確保它們垂直而忽略在第一個(gè)方向上的第二個(gè)矢量的任何分量。所以你應(yīng)該確保第一個(gè)方向指定正確。

在三維問(wèn)題中也可能會(huì)使用圓錐(或圓柱)坐標(biāo)系來(lái)定義系數(shù),具體如下:

定義阻力系數(shù)的過(guò)程如下:

1. 定義方向矢量。

l 使用笛卡爾坐標(biāo)系,簡(jiǎn)單指定方向1矢量,如果是三維問(wèn)題,指定方向2矢量。每一個(gè)方向都應(yīng)該是從(0,0)或者(0,0,0)到指定的(X,Y)或(X,Y,Z)矢量。(如果方向不正確請(qǐng)按上面的方法解決)

l 對(duì)于有些問(wèn)題,多孔介質(zhì)的主軸和區(qū)域的坐標(biāo)軸不在一條直線(xiàn)上,你不必知道多孔介質(zhì)先前的方向矢量。在這種情況下,三維中的平面工具或者二維中的線(xiàn)工具可以幫你確定這些方向矢量。

1. 捕捉"Snap"平面工具(或者線(xiàn)工具)到多孔區(qū)域的邊界。(請(qǐng)遵循使用面工具和線(xiàn)工具中的說(shuō)明,它在已存在的表面上為工具初始化了位置)。

2. 適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)坐標(biāo)軸直到它們和多孔介質(zhì)區(qū)域成一條線(xiàn)。

3. 當(dāng)成一條線(xiàn)之后,在流體面板中點(diǎn)擊從平面工具更新或者從線(xiàn)工具更新按鈕。FLUENT會(huì)自動(dòng)將方向1矢量指向?yàn)楣ぞ叩募t(三維)或綠(二維)箭頭所指的方向。

l 要使用圓錐坐標(biāo)系(比方說(shuō)環(huán)狀、錐狀顧慮單元),請(qǐng)遵循下面步驟(這一選項(xiàng)只用于三維問(wèn)題):

1. 打開(kāi)圓錐選項(xiàng)

2. 指定圓錐軸矢量和在錐軸上的點(diǎn)。圓錐軸矢量的方向?qū)?huì)是從(0,0,0)到指定的(X,Y,Z)方向的矢量。FLUENT將會(huì)使用圓錐軸上的點(diǎn)將阻力轉(zhuǎn)換到笛卡爾坐標(biāo)系。

3. 設(shè)定錐半角(錐軸和錐表面之間的角度,如下圖),使用柱坐標(biāo)系,錐半角為0.

Figure 1:錐半角

l 對(duì)于有些問(wèn)題,錐形過(guò)濾單元的主軸和區(qū)域的坐標(biāo)軸不在一條直線(xiàn)上,你不必知道錐軸先前的方向矢量以及錐軸上的點(diǎn)。在這種情況下,三維中的平面工具或者二維中的線(xiàn)工具可以幫你確定這些方向矢量。一種方法如下:

1. 在點(diǎn)擊捕捉到區(qū)域按鈕之前,你可以在下拉菜單中選擇垂直于錐軸矢量的軸過(guò)濾單元的邊界區(qū)域。

2. 點(diǎn)擊捕捉到區(qū)域按鈕,FLUENT會(huì)自動(dòng)將平面工具捕捉到邊界。它也會(huì)設(shè)定錐軸矢量和錐軸上的點(diǎn)(需注意的是你還要自己設(shè)定錐半角)。

l 另一種方法為:

1. 捕捉"Snap"平面工具到多孔區(qū)域的邊界。(請(qǐng)遵循使用面工具和線(xiàn)工具中的說(shuō)明,它在已存在的表面上為工具初始化了位置)。

2. 旋轉(zhuǎn)和平移工具坐標(biāo)軸,直到工具的紅箭頭指向錐的軸向。工具的起點(diǎn)在軸上。

3. 當(dāng)軸和工具的起點(diǎn)成一條線(xiàn)時(shí),在流體面板中點(diǎn)擊從平面工具更新按鈕。FLUENT會(huì)自動(dòng)設(shè)定軸向矢量以及在軸上的點(diǎn)(注意:你還是要自己設(shè)定錐的半角)。

2. 在粘性阻力中指定每個(gè)方向的粘性阻力系數(shù)1/a,在內(nèi)部阻力中指定每一個(gè)方向上的內(nèi)部阻力系數(shù)C_2(你可能需要將滾動(dòng)條向下滾動(dòng)來(lái)查看這些輸入)。如果你使用錐指定方法,方向1為錐軸方向,方向2為垂直于錐表面(對(duì)于圓柱就是徑向)方向,方向3圓周(q)方向。

在三維問(wèn)題中可能有三種可能的系數(shù),在二維問(wèn)題中有兩種:

l 在各向同性算例中,所有方向上的阻力系數(shù)都是相等的(如海綿)。在各向同性算例中你必須將每個(gè)方向上的阻力系數(shù)設(shè)定為相等。

l 在三維問(wèn)題中只有兩個(gè)方向上的系數(shù)相等,第三個(gè)方向上的阻力系數(shù)和前兩個(gè)不等,或者在二維問(wèn)題中兩個(gè)方向上的系數(shù)不等,你必須準(zhǔn)確的指定每一個(gè)方向上的系數(shù)。例如,如果你得多孔區(qū)域是由具有小洞的細(xì)管組成,細(xì)管平行于流動(dòng)方向,流動(dòng)會(huì)很容易的通過(guò)細(xì)管,但是流動(dòng)在其它兩個(gè)方向上(通過(guò)小洞)會(huì)很小。如果你有一個(gè)平的盤(pán)子垂直于流動(dòng)方向,流動(dòng)根本就不會(huì)穿過(guò)它而只在其它兩個(gè)方向上。

l 在三維問(wèn)題中還有一種可能就是三個(gè)系數(shù)各不相同。例如,如果多孔區(qū)域是由不規(guī)則間隔的物體(如針腳)組成的平面,那么阻礙物之間的流動(dòng)在每個(gè)方向上都不同。此時(shí)你就需要在每個(gè)方向上指定不同的系數(shù)(請(qǐng)注意指定各向同性系數(shù)時(shí),多孔介質(zhì)的解策略的注解)。

推導(dǎo)粘性和內(nèi)部損失系數(shù)的方法在定義粘性和內(nèi)部阻力系數(shù)一節(jié)中介紹。

當(dāng)你使用多孔介質(zhì)模型時(shí),你必須記住FLUENT中的多孔單元是100%打開(kāi)的,而且你所指定1/a_ij和/或C_2_ij的值必須是基于這個(gè)假設(shè)的。然而,假如你知道通過(guò)真實(shí)裝置壓降和速度之間的的變化,它只是部分地對(duì)流動(dòng)開(kāi)放。下面的練習(xí)會(huì)告訴你如何對(duì)FLUENT模型計(jì)算適當(dāng)?shù)?/span>C_2值。

假定穿孔圓盤(pán)只有25%對(duì)流動(dòng)開(kāi)放。已知通過(guò)圓盤(pán)的壓降為0.5。在圓盤(pán)內(nèi)真實(shí)流體速度基礎(chǔ)上,即通過(guò)%開(kāi)放區(qū)域的的基礎(chǔ)上,損失系數(shù)由下式定義的損失系數(shù)K_L為0.5:

要計(jì)算適當(dāng)?shù)?/span>C_2值,請(qǐng)注意在FLUENT模型中:

1. 通過(guò)穿孔圓盤(pán)的速度假定圓盤(pán)為100%開(kāi)放的。

2. 損失系數(shù)必須轉(zhuǎn)化為多孔區(qū)域每個(gè)單位長(zhǎng)度的動(dòng)壓頭損失。

對(duì)于第一條,第一步是計(jì)算并調(diào)節(jié)損失因子K_L',它應(yīng)該是在100%開(kāi)放區(qū)域的速度基礎(chǔ)上的:

或者注意對(duì)于相同的流速,v_25% open = 4 v_100% open,

調(diào)節(jié)之后的損失系數(shù)為8。對(duì)于第二條,你必須將它轉(zhuǎn)換為穿孔圓盤(pán)每個(gè)單位厚度的損失系數(shù)。假定圓盤(pán)的厚度為1.0 mm。內(nèi)部損失系數(shù)為(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位):

注意,對(duì)于各向異性介質(zhì),這些信息必須分別從每一個(gè)坐標(biāo)方向上計(jì)算。

第二個(gè)例子,考慮模擬充滿(mǎn)介質(zhì)的流動(dòng)。在湍流流動(dòng)中,充滿(mǎn)介質(zhì)的流動(dòng)用滲透性和內(nèi)部損失系數(shù)來(lái)模擬。推導(dǎo)適當(dāng)常數(shù)的方法包括了Ergun方程[49]的使用,對(duì)于在很大范圍雷諾數(shù)內(nèi)和許多類(lèi)型的充滿(mǎn)形式,有一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)的關(guān)系式:

當(dāng)模擬充滿(mǎn)介質(zhì)的層流流動(dòng)時(shí),上面方程中的第二項(xiàng)可能是個(gè)小量,從而得到Blake-Kozeny方程[49]:

在這些方程中,m是粘性,D_p是平均粒子直徑,e空間所占的分?jǐn)?shù)(即空間的體積除以總體積)。比較多孔介質(zhì)中Darcy定律的方程1和內(nèi)部損失系數(shù)為9的方程1,則每一方向上的滲透性和內(nèi)部損失系數(shù)定義為:

第三個(gè)例子我們會(huì)考慮Van Winkle等人[146],[121]的方程,并表明如何通過(guò)具有方孔圓盤(pán)的多孔介質(zhì)輸入來(lái)計(jì)算壓力損失。

作者所聲明的應(yīng)用在通過(guò)在等邊三角形上的方洞圓盤(pán)的湍流中的表達(dá)式為:

其中:

m(dot)=通過(guò)圓盤(pán)的質(zhì)量流速

A_f=剩下的面積或者洞的總面積

A_p=圓盤(pán)的面積(固體和洞)

C=對(duì)于不同D/t的不同雷諾數(shù)范圍被列成不同的表的系數(shù)

D/t=洞的直徑和圓盤(pán)厚度的比例

對(duì)于t/D > 1.6和Re > 4000,系數(shù)C近似為0.98,其中雷諾數(shù)是基于洞的直徑與速度的

使用下式整理方程17:

除以圓盤(pán)的厚度D x = t有:

其中v是表面速度而不是洞內(nèi)的速度。與多孔介質(zhì)內(nèi)部損失系數(shù)中的方程1比較可以看出,對(duì)于垂直于圓盤(pán)方向,常數(shù)C_2可由下式計(jì)算:

考慮通過(guò)由隨機(jī)方向的纖維或者玻璃材料組成的墊子或者過(guò)濾器的層流。對(duì)于可以二選一的方程Blake-Kozeny(方程11),我們可能會(huì)選擇將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列成表。很多類(lèi)型的纖維都由這一類(lèi)相關(guān)的數(shù)據(jù)[70]。

固體體積分?jǐn)?shù)f 玻璃絲織品的無(wú)量綱滲透性Q

0.262 0.25

0.258 0.26

0.221 0.40

0.218 0.41

0.172 0.80

其中Q = ,a為纖維直徑。使用多孔介質(zhì)的Darcy定律中的方程1可以很容易從給定的纖維直徑和體積分?jǐn)?shù)種計(jì)算出。

使用冪律模型

對(duì)于多孔介質(zhì)動(dòng)量源項(xiàng)(多孔介質(zhì)動(dòng)量方程中的方程5),如果你使用冪律模型近似,你只要在流體面板的冪律模型中輸入系數(shù)C_0和C_1就可以了。如果C_0或C_1為非零值,解算器會(huì)忽略面板中除了多孔介質(zhì)冪律模型之外的所有輸入。

定義熱傳導(dǎo)

如果你選擇在多孔介質(zhì)中模擬熱傳導(dǎo),你必須指定多孔介質(zhì)中的材料以及多孔性。要定義多孔介質(zhì)的材料,向下拉流體面板中阻力輸入下面的滾動(dòng)條,然后在多孔熱傳導(dǎo)的固體材料下拉列表中選中適當(dāng)?shù)墓腆w。

然后在多孔熱傳導(dǎo)下設(shè)定多孔性。多孔性f是多孔介質(zhì)中流體的體積分?jǐn)?shù)(即介質(zhì)的開(kāi)放體積分?jǐn)?shù))。多孔性用于介質(zhì)中的熱傳導(dǎo)預(yù)測(cè),處理方法請(qǐng)參閱多孔介質(zhì)能量方程的處理一節(jié)。它還對(duì)介質(zhì)中的反應(yīng)源項(xiàng)和體力的計(jì)算有影響。這個(gè)源項(xiàng)和介質(zhì)中流體的體積成比例。如果你想要模擬完全開(kāi)放的介質(zhì)(固體介質(zhì)沒(méi)有影響),你應(yīng)該設(shè)定多孔性為1.0。當(dāng)多孔性為1.0時(shí),介質(zhì)的固體部分對(duì)于熱傳導(dǎo)和(或)熱源項(xiàng)/反應(yīng)源項(xiàng)沒(méi)有影響。注意:多孔性永遠(yuǎn)不會(huì)影響介質(zhì)中的流體速度,這已經(jīng)在多孔介質(zhì)的動(dòng)量方程一節(jié)中介紹了。不管你將多孔性設(shè)定為何值,,FLUENT所預(yù)測(cè)的速度都是介質(zhì)中的表面速度。

定義源項(xiàng)

如果你想在多孔流動(dòng)的能量方程中包括熱的影響,請(qǐng)激活源項(xiàng)選項(xiàng)并設(shè)定非零的能量源項(xiàng)。FLUENT會(huì)計(jì)算多孔區(qū)域所生成的能量,該能量為能量源項(xiàng)值乘以組成多孔區(qū)域的單元所有體積值。你也可以定義質(zhì)量、動(dòng)量、湍流、組分或者其它標(biāo)量的源項(xiàng),詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱、質(zhì)量、動(dòng)量、能量和其它源項(xiàng)的定義。

在多孔區(qū)域內(nèi)壓制湍流源項(xiàng)

如多孔介質(zhì)的湍流處理中所討論的,湍流在多孔介質(zhì)中的計(jì)算和大量(bulk)流體流動(dòng)是一樣的。如果你使用k-e模型或者Spalart-Allmaras模型,你想要壓制湍流在多孔區(qū)域的影響可以打開(kāi)流體區(qū)域面板中的層流區(qū)域選項(xiàng)(從而使得多孔區(qū)域的湍流生成為零)。

指定旋轉(zhuǎn)軸并定義區(qū)域運(yùn)動(dòng)

旋轉(zhuǎn)軸和區(qū)域運(yùn)動(dòng)的輸入和標(biāo)準(zhǔn)流體區(qū)域的輸入是相同的,詳細(xì)情況可以參閱流體區(qū)域的輸入一節(jié)。

多孔介質(zhì)的解策略

一般說(shuō)來(lái),在模擬多孔介質(zhì)時(shí),你可以使用標(biāo)準(zhǔn)的解算步驟以及解參數(shù)的設(shè)置。然而你會(huì)發(fā)現(xiàn)如果多孔區(qū)域在流動(dòng)方向上壓降相當(dāng)大(比如:滲透性a很低或者內(nèi)部因子C_2很大)的話(huà),解的收斂速度就會(huì)變慢。這就表明由于動(dòng)量源項(xiàng)中出現(xiàn)了多孔介質(zhì)的壓降(方程的矩陣不再是對(duì)角占優(yōu)了),收斂性問(wèn)題就出現(xiàn)了。解決多孔介質(zhì)區(qū)域收斂性差最好的補(bǔ)救辦法就是對(duì)于通過(guò)介質(zhì)的流向壓降有一個(gè)很好初始預(yù)測(cè)。猜測(cè)的辦法之一就是,在介質(zhì)流體單元的上游或者下游補(bǔ)償一個(gè)壓力值,詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱所選單元的補(bǔ)償值一節(jié)。必須記住的是,當(dāng)補(bǔ)償壓力時(shí),你所輸入的壓力可以定義為解算器所使用的gauge壓力(即在操作條件面板中定義的相對(duì)于操作壓力的壓力)。

另一個(gè)處理收斂性差的方法是臨時(shí)取消多孔介質(zhì)模型(在流體面板中關(guān)閉多孔區(qū)域)然后獲取一個(gè)不受多孔區(qū)域影響的初始流場(chǎng)。取消多孔區(qū)域后,FLUENT會(huì)將多孔區(qū)域處理為流體區(qū)域并按相應(yīng)的流體區(qū)域來(lái)計(jì)算。一旦獲取了初始解,或者計(jì)算很容易收斂,你就可以激活多孔模型繼續(xù)計(jì)算包含多孔區(qū)域的流場(chǎng)(對(duì)于大阻力多孔介質(zhì)不推薦使用該方法)。

對(duì)于高度各向異性的多孔介質(zhì),有時(shí)會(huì)造成收斂性的麻煩。對(duì)于這些問(wèn)題你可以將多孔介質(zhì)的各向異性系數(shù)(1/a_ij和C_2_i,j)限制在二階或者三階的量級(jí)。即使在某一方向上介質(zhì)的阻力為無(wú)窮大,你也不需要將它設(shè)定超過(guò)初始流動(dòng)方向上的1000倍。

多孔介質(zhì)的后處理

可以通過(guò)檢查速度分量和壓力值來(lái)確定多孔區(qū)域?qū)τ诹鲌?chǎng)的影響。你可能對(duì)下列變量或函數(shù)的圖形(XY圖,等值線(xiàn)圖或者矢量圖)或者文檔報(bào)告感興趣:

l X,Y,Z速度(在速度類(lèi)別中)

l 靜壓(在壓力類(lèi)別中)

這些變量會(huì)在后處理面板的變量選擇下拉菜單制定類(lèi)別中出現(xiàn)。

需要注意的是多孔區(qū)域的熱報(bào)告不影響固體介質(zhì)的屬性。所報(bào)告的多孔區(qū)域內(nèi)的熱容、傳導(dǎo)率以及焓是流體的屬性不包括固體介質(zhì)的影響。

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