仿真技巧 | 多孔介质中低速层流的计算验证

 

多孔介质，顾名思义，主要用于模拟孔隙较多的区域对流体造成的阻碍作用，在网格划分时，狭小而密集的孔洞会造成网格数量的激增，增大流体计算的工作量。

 

在多孔介质模型中，通过定义流体域的动量源项，来代替这种孔隙区域对流体的阻碍作用，可以极大减少计算量，加速仿真进程。在进行传热计算的时候，也可以通过模型中的热平衡和非热平衡模型来计算介质与流体之间的传热。该模型常用于填充床、过滤器、多孔板，流量分配器等场景。多孔介质模型也存在一维的简化方案，叫做“多孔跳跃”，用于模拟薄膜等平面类实体对流动造成的压降。

图一：多孔介质模型设置对话框

多孔介质的作用方式是通过在该区域内添加动量源项来实现流动阻碍作用，源项由两部分组成粘性损失项（第一项）和惯性损失项（第二项）。

在均匀多孔介质中可以简化为：

α是渗透率，C2是惯性阻力因子

在层流中，流速较低，压降近似和速度成正比关系，可以仅考虑粘性项，也就是Darcy达西定律：

在高速流动中，粘性损失项相比惯性损失来说很小，可以忽略，压降可以表示为：

本文通过一个简单案例来验证Ansys Fluent中仿真低速层流流经多孔介质的流动情况。

图二：计算模型及网格

使用的三位模型是简单的管道，管道为多孔介质，流动介质是水，粘性阻力系数设定为流动方向1e6，其余方向1e8。使用层流模型，速度入口设定为设计点，以便进行参数化计算。定义监测入口和出口的压力，通过两个面压力差来得到压力降，作为输出参数进行计算。需要注意的是这个压力差也包含了正常流动所形成的压力差。

入口处分别通入0.1m/s、0.3m/s、0.5m/s、0.7m/s、0.9m/s的水，计算得到的压降值如下图所示：

图三：速度及压降的关系

结合曲线可以看到，在速度较低的层流流动中，压降和速度近似呈线性变化关系，Ansys Fluent计算结果和Darcy公式也能较好的吻合。