STAR-CCM+多孔介质仿真

多孔介质仿真

多孔介质是渗入了由气体、液体或多相混合物填充的大量孔隙的固体材料

多孔介质的计算方法：不必以全三维真实感计算多孔结构，而是可以使用损耗系数近似表示此类结构。

多孔介质的特征参数

孔隙率：定义为用于传输流体的多孔介质内的开放体积与总体积之比。

弯曲：定义为通过多孔介质的实际路径长度（从一点到另一点）与这两点之间的直线距离之比。

两种方法对多孔介质对流体的影响进行建模

l一种对多孔介质中的流体进行建模的方法是将源项引入动量传输方程中以近似压力损失。此方法通常称为表观速度公式。在STAR-CCM  中，称为多孔区域建模。

l第二种建模方法，考虑到当流体进入多孔介质时物理速度会提高。此方法通常称为物理速度公式。 STAR-CCM  中，称为相多孔介质建模。相多孔介质模型提供了在多孔介质中具有多个固相的功能，对于每个介质，可以求解单独的能量方程。

多孔区域模型

在以下情况下使用此方法：

•不需要处理流体的物理速度

•多孔介质的固相和液相处于热平衡状态

多孔介质模型

在这种情况下，多孔介质设为已冻结欧拉相，其中设置了材料孔隙率、阻力系数、温度和其他属性。使用多孔介质模型可模拟：

•多个固相

•多孔介质内的物理速度（进行瞬态热传递分析时需要）

•多孔介质的固相和液相之间的热传递

•正在对其他物理（如化学反应）建模的情况

•特定相电动势

•多孔固相中的离子组分通量

无论使用何种方法，均指定区域内的孔隙率、阻力系数和弯曲值。

模拟多孔材料，将区域类型设为多孔区域，然后设置孔隙率以及惯性和粘性系数。动量方程中的多孔源项需要这些设置。如果湍流模型处于活动状态，指定多孔区域的下游湍流量。

l孔隙率和弯曲用于对组分输运和被动标量传输的扩散系数进行比例缩放。孔隙率用于计算多孔区域中的有效导热率。

l孔隙率定义为多孔区域的开放体积与总体积之比，并作为标量分布输入。对于非稳态流计算，孔隙率用于在连续性、能量和组分方程的时间导数项中修改流体密度ρ，ρ将替换为乘积 χρ，这种替换表明流体仅占据体积的一部分。对于有效导热率，孔隙率用于混合多孔区域中表示的流体和固体材料的导热率。

l弯曲定义为多孔材料中两点之间的实际（卷积）路径长度与连接这两点的直线路径的长度之比。多孔区域的弯曲度越高，扩散率越低，因为卷积路径会减慢材料扩散速度。

l多孔阻力。多孔惯性阻力和多孔粘性阻力定义为张量分布

以催化剂几何为例介绍多孔介质的仿真

模型如下

理论压降

在多孔区域内，每单位长度的理论压降可使用公式来确定：

Δp/L=-(P_i |v|+P_v )v

v是通过介质的表观速度

P_i, P_v是定义多孔阻力的系数，分别称为惯性阻力和粘性阻力。

整个多孔区的质量流率是 2.91E-02kg/s 。由于流体密度是1.18415kg/m3 并且多孔区的横截面积是0.00786m2 ，该值与通过该区域的3.12m/s 表观速度相对应。将这个表面速度放入L= 0.03 m 的方程中，得出整个多孔区的压降为147.75，计算的压降为139.9，意味着计算出的压降在理论压降10%内。

采用正交各向同性多孔介质结果如下：

采用正交各向异性多孔介质结果如下：

采用各项异性多孔介质，气流只在前进方向流动，在垂直于前进方向，气流速度基本为0，这与催化剂结构是相适应的。

当更改孔隙率时，会影响区域的传热，如下图：

孔隙率为0.9

孔隙率为0.3