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作者：西门剑客CFDer

自发布号码： star CCM在线

发布日期： 2019-02-12

关键词： #CFD##模拟##计算流体力学##计算机辅助工程##CAE#

1、概要

什么是多孔介质？

多孔介质是由气体、液体或不均匀混合物填充的渗透有多个空隙的固体材料。 这些孔一般比较细(如在多孔岩石中)或粗糙) (蜂巢结构和金属网)。 热传导相可以是流体和/或固体材料。 空隙允许流体及其成分扩散； 类似地，热、电流、磁场和声能(仅示例)也在流体和/或固体材料上传送。

工业应用中常见的多孔结构，如空气过滤器滤芯、散热器和冷凝器芯体、填料层化学反应器、多孔板和管道集输等。 这些多孔介质均含有流体和微细固体结构的连续体，但由于固体几何结构过于微细、流体间隙微小、结构复杂等，很难计算CFD单独网格化、完全求解。

在许多应用中，多孔结构不需要真实描述，也可以用阻尼系数近似表征这种结构特性。 多孔介质可结合诸如电化学反应或组分扩散的STAR-CCM其他物理模型使用相关方程中的修改的扩散系数。

应用程序

过滤和流体调节：蜂巢结构、网格、海绵和纤维材料

排气组件：消声器、催化转化器组件和挡板

燃料电池模块

锂离子电池的设计与优化

填充层化学反应器

表示热交换器单元

表示更大结构中的小组件。 例如，建筑和油气设施等大结构循环)

定义

孔隙率定义为开放体积与用于输送流体的多孔介质内总体积的比。

折弯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。

多孔区域和多孔相(流体流应用) ) ) ) ) ) ) )。

多孔介质可以通过以下两种方法之一用STAR-CCM表示：

1 )多孔区域

这是一种多孔介质中流体建模的方法，在动量传递方程中引入源项逼近压力损失。 这种方法通常称为表观速度公式。 STAR-CCM称为“多孔区域”建模。

2 )相多孔介质模型

该建模方法考虑到流体进入多孔介质时物理速度会提高，因此更接近现实物理。 这种方法通常称为物理速度表达式。 在STAR-CCM中称为相多孔介质建模。 相多孔介质模型提供了多孔介质中具有多个固相的功能，可以求解每个介质的单独能量方程。

多孔区域)。

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

相多孔介质模型(Porous Media Model ) )。

在这种情况下，多孔介质设定为冻结欧拉相，设定材料气孔率、阻力系数、温度、其他特性。 可以使用多孔介质模型模拟以下内容：

多个固相

多孔介质内的物理速度(进行瞬态热传导分析时所需) ) ) )。

多孔介质固相和液相间的传热

对化学反应等其他物理进行建模的状况

特定相电动势

无论使用哪种方法，都要指定区域内的气孔率、阻力系数、弯曲值。

多孔挡板

>

如果多孔介质的厚度与其他尺寸（例如：挡板、膜、网格和过滤器）相比较小，则可使用无限薄的多孔挡板来建模。

网格要求

理想情况下，网格应与主流相对齐。定向网格（DirectedMesh）生成器是一种可选择的方法；但根据多孔介质的形状，还可以使用广义圆柱体、薄体网格（Thin mesh）生成器或拉伸网格生成器。

求解法

根据具体应用，可以使用分求解器或耦合求解器对多孔介质进行求解。

本次重点介绍多孔区域（PorousRegion）模型，相多孔介质模型后续再介绍。

2、STAR-CCM+标准案例展示

（1）目标

本次验证案例展示运用STAR-CCM+中的多孔区域（Porous Region）模拟多孔体力占主导的无粘流动状态。

（2）几何描述

仿真模拟的对象是一个流体通道，被分解成三部分：进口段，其与水平方向呈现26.6°的夹角，剩下两段与X轴平行。中间段是多孔区域，具有各向异性的多孔介质属性，既能产生压力降，又能使得流动保持水平类似整流的效果。

Geometry

Mesh

（3）物理模型设置

采用分离流求解器（segregatedflow solver）来求解。流动被认为是无粘的，定常密度。

物理模型选择如下：

（4）材料物性

（5）初始条件设置

（6）边界条件设置

（7）多孔区域参数设置

（8）求解器设置和停止标准

（9）仿真结果展示

（10）与参考值的对比

对比截面位置及坐标如下：

对比截面上点对应的压力值如下：

3、多孔区域（Porous Region）应用

多孔区域（Porous Region）中采用经验公式定义多孔介质上的流动阻力。从本质上说，多孔区域（Porous Region）模型就是在动量方程中增加了一个代表动量消耗的源项。

其动量方程中包含一个额外的源项，其考虑由多孔介质传递的流体的阻力。这部分阻力是根据表观速度Vs和多孔阻力张量P定义的：

多孔阻力张量包括两个分量：

其中，Pv为粘性（线性），Pi为惯性（二次）阻力张量。此源项表示产生压降的动量汇。

多孔介质的动量平衡则由以下公式给出：

其中，fb为包含所有其他体积力的体积力矢量，Ι为单位矩阵，fp为上面公式定义给出的多孔阻力张量。

以三元催化器的多孔芯体为例，其单体的速度和压降性能实验曲线如下表格：

芯体的厚度为0.2m，在STAR-CCM+设置阻力系数参数时，采用的是单位长度上的压降值与速度的拟合，添加趋势线得到二次多项式如下图。

惯性阻尼系数Pi为140.14，粘性阻尼系数PV为33.185。

在软件设置中，通常建立局部坐标系，选择Axisymmetric Tensor的方式进行设置。

然后对应设置Axis，Axial Component和Cross-Stream Component。

针对惯性阻尼系数Pi：轴向Axial Component的分量设置为拟合出的系数，垂直与轴向的分量Cross-Stream Component为了计算收敛的稳定性，设置为0。

针对粘性阻尼系数PV：轴向Axial Component的分量设置为拟合出的系数，垂直与轴向的分量Cross-Stream Component设置为拟合系数量级的100倍。

因此对应设置参数如下表格：

注：本次关于多孔介质模型的介绍主要聚焦在多孔区域Porous Region的基本原理及软件中具体设置上。验证案例是基于2D的模型进行对比的截面上点的具体压力值，STAR-CCM+计算值与参考值吻合很好。在实际工程应用中，可以用软件计算出的芯体压降与具体的实验值进行比较验证。