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2024-01-16

渗透率

在 CFD 中使用渗透或多孔介质来模拟不完全实体的复杂组件。 在现实世界中,例如金属丝网、穿孔的外墙和覆层、百叶窗、管排(水平圆柱体堆叠)等。 这类结构的模型可能具有非常复杂的几何形状,以至于无法有效地划分网格,生成的网格可能非常精细,甚至在某些情况下质量很差。 在这种情况下会导致计算耗费硬件和时间或者导致计算不准确。 因此对于这类结构最好使用可渗透介质模型。

根据实验测量的物理推理,我们假设在可渗透区,能量作为压降从流动中除去。 我们假设随着通过可渗透区的速度增加,压降也增加。 跨区域的压降可以用速度的多项式函数表示,其中线性部分是粘度项,二次部分是惯性项(动头):

接下来,我们在 Navier-Stokes 方程(NS 方程)中应用渗透率效应。

NS 方程中的渗透率

下面是渗透率数值模型的简要介绍。 渗透率效应作为源项添加到 NS 方程 . 重要的是不要将压降直接包含在我们的方程中,但源项应该用压降表示。 源项 S 适用于透水区的单元格心,在未定义透水区的单元格中 S 项为零,见下面的 图片

源项 是一个力,由与单元体积相关的压降表示。 经过一些修改,方程的源项在流动方向上可以写成下面的形式:

渗透介质的长度(厚度) L 表示 流向的渗透介质的厚度。

现在我们得到源项,它描述可渗透介质中的压力损失。 接下来,需要定义 系数

为此,需要另一个关系式,即达西'定律。 达西'定律对于通过可渗透介质的缓慢层流只有小的 Re 值是有效的。 由下面的关系给出:

将此与一般的压降关系进行比较,得到 C1的公式:

达西'定律给出了 C1与可渗透介质的动力粘度、渗透性和长度的函数,我们还需要定义系数 C2 。 有几种方法可以做到这一点。 您可以使用通过测量压降以及通过可渗透区的速度或流速获得的经验数据。 系数 C2可以从实测数据的多项式回归中拟合。 或者您可以使用一些已发布的数据,例如可渗透圆盘的经验数据,将其与几何形状进行比较(比较孔的数量及其几何形状),然后导出系数。 一些确定系数的方法可以在找到,这种方法在我们的知识库文章

提示

有很多方法可以对可渗透介质进行建模,并且可以使用许多不同的渗透率数值模型,例如 Darcy-Forchheimer model 、Burke-Plummer 模型、Ergun 模型等。 每种模型都有自己的应用领域和优缺点。


参考
  1. ANSYS, Inc. (2009, 1 月 29 日). 多孔介质条件。 ANSYS FLUENT 12.0 用户指南。 https://www.afs.enea.it/project/neptunius/docs/fluent/html/ug/node233.htm
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