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2024-08-08

渗透性

在 CFD 中可使用渗透性或多孔介质来模拟非实心的复杂构件。 在实际应用中包括金属丝网、幕墙和覆层冲孔板、百叶窗、管组(水平圆柱体的叠加)等。 这些结构的模型可能具有非常复杂的几何形状,以至于无法有效地进行网格划分,或者生成的网格非常精细,在某些情况下甚至质量很差。 这种情况导致计算复杂和费时,或者导致不准确的计算。 因此,对于这类结构,最好使用渗透性介质的模型。

根据实验测量的物理推导,我们假设在渗透区,流体的能量以压降的形式消失。 我们假设随着通过渗透区的速度的增加,压降也增加。 区域中的压降可以用速度的多项式函数表示,其中线性部分是粘度项,二次部分是惯性项(动水头):

接下来,我们用 Navier-Stokes 方程(NS 方程)来定义渗透性效应。

NS 方程中的渗透性

下面简要介绍渗透率的数值建模。 渗透性效应作为源项添加到 N-S 方程 的右侧。 重要的是不要在我们的方程中直接包含压降,而源项应该用压降来表示。 源项 S 应用于渗透区的单元格重心,在未定义渗透区的单元格中,S 为零,见下图 图片

[[#formula001247 源项]] 是通过与细胞体积相关的压力下降来表达的力。
对流向进行修改后,源项可以写成以下形式:

透水介质的长度(厚度)L表示透水介质在 流动方向 的厚度。

现在我们得到描述可渗透介质压力损失的源项。 接下来,需要指定 系数:

这里还需要考虑另一个关系式,即达西定律。 达西定律适用于通过可渗透介质的小Re数值的慢层流。 计算公式如下:

将此与一般的压降关系式进行比较,得出 C1的相关公式:

根据达西'定律,C1与动力粘度、渗透率和可渗透介质的长度有关,我们还需要进一步指定系数 C2 。 有几种方法可以实现。 您可以使用通过测量穿过渗透区的压降以及速度或流量获得的经验数据。 系数C2可以由对测量数据进行多项式回归得到。 或者您可以使用一些已发布的数据,例如渗透板的经验数据,将其与几何尺寸进行比较(比较孔的数量及其几何尺寸),然后推导出系数。 一些确定系数的方法可以在这里找到,这种方法在我们的知识库文章中进行了描述。

提示

有很多方法可以对渗透介质进行建模,也有很多不同的渗透性数值模型,例如 Darcy-Forchheimer 模型、Burke-Plummer 模型、Ergun 模型等等。 每种模型都有自己的应用领域,以及优缺点。

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