Fluent Tutorials｜03 多孔介质

本教程演示利用Fluent模拟气体在多孔介质区域中的流场分布。

1 问题描述

此处模拟的催化转化器如图所示。氮气以125 m/s和800K的均匀速度从入口进入计算区域，之后穿过一对带有方形通道的陶瓷多孔介质衬里，然后从出口排出。

入口和出口部分的流动为湍流流动，衬里内的流动是层流，其沿入口轴向存在惯性和粘性损失。衬里在其他方向上是不可渗透，此特性利用用比主流方向高三个数量级的损失系数来进行模拟。

2 网格生成

本案例利用Fluent Meshing中的Watertight工作流程生成计算网格。

• 启动Fluent Meshing
• 选择使用Watertight Geometry

• 选择节点Import Geometry
• 选择File Formate为CAD
• 选择Units为mm
• 指定几何文件为catalystic_converter.scdoc导入几何文件

导入的几何模型如下图所示。

• 点击模型树节点Add Local Sizing
• 设置Name为sensor
• 设置Size Control Type为Curvature
• 指定Local Min Size为0.1
• 如下图所示选择三个几何面，点击按钮Add Local Sizing添加局部尺寸

• 选择模型树节点Generate the Surface Mesh，采用默认设置，点击按钮Generate the Surface Mesh生成面网格

生成的面网格如下图所示。

• 选择模型树节点Describe Geometry，如下图所示进行设置

• 选择模型树节点Enclose Fluid Regions，如下图所示创建入口边界

• 如下图所示创建出口边界

• 点击模型树节点Update Boundaries，采用默认设置

• 进入节点Create Regions，设置Estimated Number of Fluid Regions为3

得到的流体域如下图所示。

• 进入节点Update Regionss，如下图所示设置计算区域，这里将两个固体域修改为了流体域

• 进入节点Add Boundary Layers，采用默认设置

• 进入节点Generate the Volume Mesh，采用默认设置，点击按钮Generate the Volume Mesh生成体网格

体网格剖面如下图所示

• 体网格如下图所示

• 选择菜单项File → Write Mesh...保存网格
• 点击按钮Switch to Solution切换进入solution模式

3 Fluent设置

这里没有设置的参数均为默认参数。

3.1 Models

• 打开能量方程

3.2 Materials设置

• 从材料库中添加材料介质N2

3.3 设置计算区域

• 设置区域fluid:0的流体介质为nitrogen

• 相同方式设置fluid:1与fluid:2
• 设置计算区域fluid:substrate:1
• 激活选项Laminar Zone及Porous Zone
• 进入Porous Zone标签页设置多孔介质参数
• 指定Direction-1 Vector为（0 0 1），设置Direction-2 Vector为(0 1 0)
• 指定粘性阻力系数方向1与方向2为1e6，方向3为1e3
• 指定三个方向的惯性系数为1000
• 其他参数保持默认设置

• 将fluid:substrate:1的参数复制到fluid:substrate:2，如下图所示

3.4 设置边界条件

• 如下图所示设置inlet边界
• 指定速度为125 m/s
• 指定湍流强度为5 %
• 指定水力直径为0.5 m

• 指定入口温度800 K

• 指定出口边界，如下图所示

• 指定出口回流温度为800 K

3.5 求解方法

• 进入Methods面板，如下图所示，采用默认设置

3.6 指定监测

• 如下图所示指定监测出口质量流量

3.7 初始化

• 采用Standard Initialization初始化

注：当计算区域中存在多孔介质时，不要使用Hybrid初始化，因为其无法考虑多孔介质的影响，可能会产生不合适的初始值。

”

3.8 计算求解

• 设置迭代次数为150，进行求解计算

出口流量监测结果如下图所示。

4 计算结果

• y=-425 mm面上速度矢量

• y=-425 mm面上压力分布

• 纵切面上速度分布