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“多孔介質流模組”是COMSOL Multiphysics ®軟體的一個附加產品,用於分析在許多自然和人工系統中發現的複雜多孔介質結構。該模組包含的功能可以基於達西定律、Brinkman 方程、理查茲方程來模擬多孔介質單相流,以及裂隙流和自由與多孔介質流動的組合。

最真實、準確的模型提供的多物理場功能包括多孔介質中的非等溫流動、多組分系統的有效屬性、多孔彈性以及水分和化學物質的傳遞。


優化各種工業過程

對進階多孔介質建模的需求涉及許多行業和應用,例如製藥和食品行業。“多孔介質流模組”可以幫助農業、化學、民用和核工程師以及各行各業的科研人員分析多孔介質流動,並優化其設計和工藝。

在對奈米材料、多孔反應器、電子元件冷卻和大規模岩土工程應用進行建模時,可以使用模擬來捕捉多孔介質對傳遞過程的影響。COMSOL Multiphysics ®提供一套全面的建模工具,它們封裝在物理場介面中,可以為您要模擬的多孔介質流動類型自動建立特定的方程並進行求解。


多孔介質流模組的特徵和功能

“多孔介質流模組”提供專用的特徵和功能,用於分析多孔介質中的各種過程



多孔介質中的緩流

達西定律描述流體在壓力梯度驅動下,在完全飽和的多孔介質中通過間隙的流動,其中流體的剪切應力引起的動量傳遞可以忽略不計。您可以使用達西定律 介面計算壓力,然後根據壓力梯度、流體黏度和滲透率來確定速度場。多層達西定律 介面可用於模擬流體通過多層多孔介質(如紙板、複合材料或膠合板)間隙的流動。



多孔介質中的急流

Brinkman 方程可用於計算多孔介質中快速流動的流體,其中驅動流動的因素是流體速度動勢、壓力和重力。“Brinkman 方程”介面綜合了達西定律,可以計算黏性剪切引起的動能耗散,與納維-斯托克斯方程類似。





變飽和多孔介質流動

理查茲方程描述水在部分飽和多孔介質中的運動情況,當流體流過多孔介質時會填充一些孔隙,並從一些孔隙排出,該方程考慮了此過程中流體水力屬性的變化。理查茲方程 介面包含van Genuchten Brooks-Corey 等內置的流體保留模型,您可以根據需要進行選擇。與達西定律 介面類似,本介面也只計算壓力。由於水力屬性隨飽和度發生變化,因此理查茲方程是非線性的,如果在沒有計算軟體的情況下進行求解,將是一項具有挑戰性的工作。



非達西流

達西定律和Brinkman 對達西定律的修正僅適用於孔隙中的間隙速度足夠低、使潛變流近似成立的情況。當間隙速度較高時,可以在動量方程中包含額外的非線性校正。達西定律 和Brinkman 方程 介面包含用於滲透率模型的非達西選項、Brinkman 方程 介面的Forchheimer Ergun 模型以及達西定律 和多孔介質多相流 介面的ForchheimerErgunBurke-Plummer Klinkenberg 模型。



裂隙流

多孔介質中的裂隙會影響通過多孔基體的流動屬性,裂隙流 介面可以根據用戶定義的孔徑來求解三維基體內部的(二維)邊界上的壓力,並將自動與描述周圍基體中的多孔介質流動的物理場相耦合,這是一種近似方法,可以在裂隙的網格劃分過程中節省時間和計算資源。



多孔介質熱傳

多孔介質熱傳是通過傳導、對流和彌散進行的。彌散是由液體在多孔介質中流動的曲折路徑引起的,如果只分析平均對流項,則無法描述這種現象。在許多情況下,固相可以由傳導率不同的多種材料組成,也可能會涉及許多不同的流體。多孔介質熱傳 介面可以自動分析這些因素,並提供用於計算有效熱傳屬性的混合規則。為了對局部熱非平衡進行建模,您可以使用內置的技術,將流體和多孔基體溫度場的各個方程相耦合,以分析孔隙中流-固界面的熱傳。


多孔介質多相流

相傳遞功能可以與達西定律 介面相結合,用來模擬具有任意數量相態的多孔介質多相流。用戶可以指定多孔介質屬性,例如相對滲透率和各相之間的毛細壓力。通過多物理場耦合,可以實現多孔介質相傳遞 與達西定律 介面的結合,從而在各相之間傳遞這些屬性。

熱濕傳遞

紙張、木材和其他多孔材料的熱濕管理對建築構件和消費品包裝的設計起著至關重要的作用。熱濕流動 多物理場介面用於模擬熱傳和水分輸送,其中流體屬性可能與蒸汽濃度相關。此外,該介面還提供多種工具用於分析表面上水的冷凝和蒸發,並提供多個專用特徵用於分析熱濕儲存、潛熱效應以及水分的擴散和傳遞。


多孔彈性

固結和膨脹可以通過專用的多孔彈性物理場介面,通過將達西定律的瞬態公式與多孔基體的線彈性材料模型進行耦合來進行建模。流體流動會影響多孔介質的可壓縮性,而體積應變的變化反過來又會影響動量、材料和熱傳。為了利用這些效應,多孔彈性 多物理場介面包含一個應力張量表達式(作為體積應變的函數)和Biot-Willis 係數。此外,還提供多孔彈性,多層殼 多物理場介面,可以對每層具有不同材料屬性的多層域(紙板、複合材料等)進行建模。

層流和潛變流

為了實現最大的靈活性,“多孔介質流模組”提供了專用的功能來模擬自由介質和多孔介質中的流動。層流 和潛變流 介面可用於模擬雷諾數相對較低的瞬態和穩態流動,其中流體黏度可以取決於流體的局部組成和溫度,或與流體流動耦合建模的任何其他物理場。


多孔介質和裂隙中的化學物質傳遞

COMSOL Multiphysics ®模擬軟體包含直觀的功能,用於定義稀溶液或混合物中通過任意數量化學物質的對流、擴散、彌散、吸附和揮發進行的物質傳遞。通過將“多孔介質流模組”與化學反應工程模組相結合,可以輕鬆地將它們與可逆、不可逆和平衡反應動力學的定義聯繫起來。借助“多孔介質流模組”,您可以將此功能擴展到多孔介質和裂隙。

進階自由流動選項

通過將“多孔介質流模組”與CFD 模組或聚合物流動模組耦合,可以在多孔介質流動建模中包含非牛頓流體,例如冪律、CarreauBingham流體。一般來說,密度、黏度和動量源可以是溫度、成分、剪切速率、其他任何因變量以及因變量導數的任意函數。此外,通過耦合使用“CFD 模組”,您還可以將多孔介質中的快速流動與自由紊流進行耦合分析。


軟體展示需求

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