多孔介质- 技术总结

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 式中μ为粘性系数,Dp为平均颗粒直径,L为床厚度,ε 为孔隙率,其定义为孔隙体积与层床总体积之比。

比较式(2.40)、式(2.42)和式(2.51),可得各方向粘性阻力系数和惯性损失系数

(3) 使用经验公式计算流过多孔板湍流的阻力系数

流过锐边孔多孔板的压力损失系数可以采用 VanWinkle 等的公式计算(适用于孔呈等边三角形布置的情况):

式中,

为通过板的流量;Af为孔的总面积;Ap为板的总面积;C为适用于不

同Re数范围和不同孔径厚度比D/t情况下的系数,t/D > 1.6且Re > 4000 时(Re 数的特征尺寸为孔径,特征速度为孔内的速度)C≈0.98。 利用式(2.55)和

式中v为表观速度而非孔内的流速。与式(2.42)比较可得在垂直于板方向的阻力系数 C2:

(4) 用实验数据计算流过纤维状材料层流的阻力系数

在已知任意排列的纤维材料的无量纲渗透率 B 与纤维体积分数之间关系的情况下,粘性阻力系数1/α可由无量纲渗透率的定义

a 为纤维直径

确定。

(5) 用压力降与速度关系实验数据计算阻力系数

可以用通过多孔介质的压力降 Δp与速度 v 关系的实验数据确定阻力系数。设实验数据用二次多项式拟合为

式中a1和a2为拟合系数。

动量方程源项为单位长度的压力降,即

式中Δn 为多孔介质厚度。则比较式(2.38)和式(2.58)及式(2.59),可得阻力系数

该方法也可以用于多孔阶跃面。 2.6.7基于物理速度的多孔介质模型

FLUENT 默认情况下,在多孔介质中使用按体积流量率计算的表观速度。表观速度(Superficial Velocity)与物理速度(Physical Velocity)即真实速度的关系为式中γ为介质的孔隙率。

由于孔隙率小于1流体流入多孔介质中物理速度会提高,而表观速度不反映出来。为精确模拟多孔介质中的流动,应求解物理速度,而不是表观速度。

(1) 单相多孔介质模型,单相流动情况下各向同性多孔介质中的通用标量输运控制方程为

体积平均质量方程和动量方程为

式(2.65)中最后一项代表多孔介质对流体的粘性阻力和惯性阻力。

采用物理速度求解时,式(2.65)中的两个阻力系数仍以表观速度计算(见本节2.6.6)FLUENT将其转换为与物理速度公式相应的值。

入口质量流量亦是以表观速度计算的。对于相同的入口质量流量和阻力系数对于表观速度或物理速度均应得到相同的压力降。

(2) 多相多孔介质模型

可以使用物理速度多孔介质公式模拟包含有多孔介质区的多相流。关于多相流理论见第5章。

各向同性多孔介质中第 q 相的通用变量的控制方程取如下形式:

其中γ为孔隙率;pq为第q相的物理密度;ɑq为第 q 相流体体积分数;为第 q 相的速度;为第q 相通用扩散系数;为源项。质量方程和动量方程为通用变量控制方程(2.66)适用于 Euler 多相流模型的所有输运方程。 质量方程和动量方程为

式中最后一项为多孔介质中的动量阻力源项。该项由两部分组成粘性损失项和惯性损失项。K 为渗透率,C2为惯性阻力系数,二者均为(1 ? γ)的函数。 能量方程为

式中Qsp为多孔介质中固体表面与第 q 相的传热量。默认情况下,FLUENT 假定多孔介质的固体与多相流体之间处于热平衡,则

但也可以用求解用户定义标量(UDS)的方式单独求解多孔介质固体的导热方程:

 这时如仅考虑对流换热,有

式中hq,eff为有效传热系数,Ts为多孔介质固体表面温度。 2.6.8 多孔介质模型的限制和求解策略

多孔介质模型的假定和限制条件

多孔介质对湍流影响的模拟是近似的。 当在运动坐标系中应用多孔介质模型,多孔介质采用相对速度形式的阻力公式时,动量方程可以采用相对速度形式或绝对速度形式。

当多孔介质区中在流动方向上压力降较大时(例如渗透率 α 较小或惯性系数 C2较大),收敛速度较慢。解决收敛性问题的最好方法是估算多孔介质压力降的合适的迭代初值,并以分块(Patch)的方式初始化,使多孔介质区上、下游的初始压力差满足该压力降值。另一个方法是暂时停用多孔介质模型求解获得没有多孔介质的流场的初步解,然后再启用多孔介质模型继续求解(此方法对于高流阻多孔介质不适用)。高度各向异性的多孔介质模型可能有收敛困难的问题可将各方向多孔介质系数(1/α ij和 C2,ij)的相差倍数限制在2—3 个数量级以内来解决这一问题。如果某一方向的介质阻力为无限大,只需将其置为主流方向阻力的1000倍。

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