• Description

COMSOL Multiphysics® 5.5 版本添加了新的“多孔介質流模組”。借助這個附加模組,您可以對多孔介質中的質量、動量和能量傳遞進行建模。

多孔介質流模組概述

許多自然和人工系統中都存在多孔介質,因此,對先進多孔介質建模的需求已成為許多行業發展的關鍵,例如燃料電池、紙漿和紙張乾燥、食品生產、過濾過程,等等。“多孔介質流模組”將COMSOL Multiphysics® 建模環境擴展到定量研究多孔介質中的質量、動量和能量傳遞,應用領域涵蓋從基於達西定律的傳統多孔介質流動,到非達西流動和多物理場流動分析,包括熱傳效應、化工等。

陶瓷濾水器蠟燭中的雜質濃度(左:未損壞,右:損壞)

多孔介質流模組功能
流體模型

“多孔介質流模組”包含基於達西定律、Brinkman方程式以及自由和多孔介質流動組合的多孔介質單相流建模功能。多孔介質中的裂縫可以控制流動,裂縫流專用介面提供與任何多孔介質流動模型結合使用。軟體提供穩態和暫態兩種分析類型。

多相流

多相流功能包括多個不混溶相通過多孔介質的傳輸,並求解平均相體積分數。對於可變飽和的多孔介質,用戶可以使用基於理查茲方程的非線性流動選項來分析各種介質,其中,隨著流體流過多孔介質時會填充一些孔隙並從其餘孔隙排出,水力屬性會有所變化。

多物理場

多物理場功能提供與熱傳、化工和結構分析相結合。與熱傳結合使用時,軟體提供相關選項用於計算多孔介質中的非等溫流動和有效熱屬性。多孔介質熱傳可以與消費電子產品、包裝材料和建築物理等應用中的水分輸送結合使用。

不僅如此,該模組還可處理化學物質在自由流動、飽和及部分飽和多孔介質中的傳輸,可用於研究氣體或液體流過多孔介質空隙時的流動和化學成分。除了多孔介質區域外,流動系統還可以包含自由流動區域。

為了分析多孔材料中的彈性效應,新版本添加了一個專門的多孔彈性多物理場介面,可以將達西定律的暫態公式與固體力學的準靜態公式相結合。達西定律 介面中的孔隙壓力充當結構分析的負載,從而引起膨脹或收縮。體積應變的變化會影響孔隙空間,後者作為達西定律流動模型的質量源或質量沉。

熱能儲存(TES)裝置收集自太陽能,地熱或廢熱源的熱能。該示例在為TES裝置充電時,模擬了相變和局部熱非平衡引起的熱效果

水分輸送介面的總體改進

空氣中的水分輸送 (Moisture Transport in Air) 介面添加了一個新的濃縮物種 公式,用於模擬蒸汽含量較高時,蒸汽在空氣中的對流和擴散。當高溫下的相對濕度適中或較高時,通常會出現這種情況。在這些條件下,由於蒸汽濃度梯度的影響,濕空氣密度在空間和時間上可能會發生明顯的變化,此時應使用新的濃縮物種公式代替預設公式。

除此之外,物理場介面也得到了改進,現在提供相對濕度大於 1 的過飽和條件。當充滿飽和水蒸汽的熱流迅速冷卻時,就會發生這種情況。最後,各種水分輸送、熱濕和水分流動介面的預設求解器設置均已更新,現在能夠以更快的速度提供更穩定的計算性能。

您現在可以在水分輸送介面中選擇濃縮物種作為濕空氣混合物類型。

新的教學案例

"多孔介質流模組"包括多個教學案例。

填充床潛熱儲存裝置

熱能儲存 (TES) 裝置用於收集來自太陽能、地熱或廢熱源的熱能。本例模擬為 TES 裝置充電時,相變熱傳和局部熱非平衡的影響。

載Frozen_inclusion

 多孔微通道散熱器的性能

 微通道散熱器通過包含多孔基板(棕色)來提高熱傳係數。品質因數圖顯示了最佳構型。

載Frozen_inclusion

 

凍土夾雜物

周圍多孔介質中的熱傳導和對流使初始凍結塊逐漸降解,九個小時後,液態水飽和。等位面顯示溫度,其餘的冰顯示為白色。流線表示流體速度場。

載Frozen_inclusion

紙條芯吸現象

 

乾燥的多孔材料與流體接觸時,會發生芯吸現象;由於存在毛細力,多孔材料會吸收流體。吸收過程會一直持續到重力與毛細力平衡為止。

載wicking_in_a_paper_strip