ANSYS Fluent在多孔介质模拟中的应用

一、运用场景：

  多孔介质用于模拟几何复杂、尺度跨越大、具有细密孔隙等不便网格划分进行求解的物理模型，比如土壤的渗透、钢渣的换热等情况。

二、基本特点：

 1. 不考虑模型的局部细节特征，采用阻力系数来模拟速度-压降的关系；

 2. 引入孔隙率（Fluid Porosity) 模拟真实的速度影响，孔隙率=流体流通体积/多孔区域体积

 3. ANSYS Fluent默认采用表观速度进行多孔区域计算，可采用物理速度进行计算。

   物理速度与表观速度的关系
 

4. 各向异性损失：定义不同方向的阻力损失，采用达西定律计算：

   达西定律
 

 粘性阻力系数：1/Kperm, Kperm为渗透系数；

 惯性阻力系数：Kloss。

5. 粘性阻力系数与惯性阻力系数的获取：通过实验获得速度-压降梯度的二次关系曲线：

   速度-压降梯度的二次曲线
 

   速度-压降的二次曲线
 

式中，Δn表示多孔介质沿速度方向的尺寸；

三、多孔介质换热模型

多孔介质的换热理论由两种构成：Equilibrium or Non-Equilibrium 模型；

       1. Equilibrium 模型：

       假设固体与流体处于热平衡状态，多孔区域内，流体的温度与固体的温度基本一致。

   Equilibrium模型
 

   Equilibrium模型能量方程
 

   有效导热系数
 

式中,  hi为不同组分的显热，Ji为不同组分的质量分数。

       2. Non-Equilibrium 模型：

       假设固体与流体间的热平衡并不适合所有模拟，由于不太的几何长度尺寸和固体与流体  的物理特性，导致相间的局部温度差异。

   Non-Equilibrium模型
 

 式中, Interfacial Area Density, Afs：流固交界面的面积与多孔区域体积的比值，称为面密度；

          Heat Transfer Coefficient, hfs：流固换热系数

   Non-Equilibrium：流体的能量方程
 

四、模型设置

   多孔介质区域设置内容
 

 1. 设置多孔介质方向，Direction-1 Vector, Direction-2 Vector, 由此推断出第三个方向；

 2. 设置三个方向的粘性阻力系数与惯性阻力系数；

 3. 如下图设置孔隙率，并选择传热模型（开启能量模型时）

   多孔介质区域-孔隙率&传热模型设定
 

4. 选择合适的传热模型：Equilibrium or Non-Equilibrium 模型；

   Equilibrium模型
 

   Non-Equilibrium模型
 

五、计算结果对比：

     1. Equilibrium 模型：

   多孔区域的温度分布
 

   流体的温度分布
 

 2. Non-Equilibrium 模型：

   多孔介质的温度分布
 

   流体的温度分布

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