多孔介质-Fluent模拟
7.19多孔介质边界条件
多孔介质模型适用的范围非常广泛，包括填充床，过滤纸，多孔板，流量分配器，还有管群，管束系统。当使用这个模型的时候，多孔介质将运用于网格区域，流场中的压降将由输入的条件有关，见Section 7.19.2.同样也可以计算热传导，基于介质和流场热量守恒的假设，见Section 7.19.3.
通过一个薄膜后的已知速度/压力降低特性可以简化为一维多孔介质模型，简称为“多孔跳跃”。多孔跳跃模型被运用于一个面区域而不是网格区域，而且也可以代替完全多孔介质模型在任何可能的时候，因为它更加稳定而且能够很好地收敛。见Section 7.22.
7.19.1 多孔介质模型的限制和假设
多孔介质模型就是在定义为多孔介质的区域结合了一个根据经验假设为主的流动阻力。本质上，多孔介质模型仅仅是在动量方程上叠加了一个动量源项。这种情况下，以下模型方面的假设和限制就可以很容易得到：
?因为没有表示多孔介质区域的实际存在的体，所以fluent默认是计算基于连续性方程的虚假速度。做为一个做精确的选项，你可以适用fluent
中的真是速度，见section7.19.7。
?多孔介质对湍流流场的影响，是近似的，见7.19.4。
?当在移动坐标系中使用多孔介质模型的时候，fluent既有相对坐标系也可以使用绝对坐标系，当激活相对速度阻力方程。这将得到更精确的源项。
相关信息见section7.19.5和7.19.6。
?当需要定义比热容的时候，必须是常数。
7.19.2 多孔介质模型动量方程
多孔介质模型的动量方程是在标准动量方程的后面加上动量方程源项。源项包含两个部分：粘性损失项（达西公式项，方程7.19-1右边第一项），和惯性损失项（方程7.19-1右边第二项）
(7.19-1)
式中，si是i（x，y，z）动量方程的源项，是速度大小，D和C是矩阵。动量源项对多孔介质区域的压力梯度有影响，生成一个与速度大小（速度平方）成正比的压降。
对于各向同性多孔介质简单情况下：
(7.19-2)
式中是渗透性系数，是惯性阻力系数，也就是将D,C矩阵简化为对角矩阵，对角上的系数分别为和，其它元素都是0.
同样fluent也可以将源项设定为速度的幂函数型：
(7.19-3) 式中and 是用户自定义的经验系数。.
在幂函数型模型中，压降是均匀的，的单位是国际单位制。
多孔介质中的达西定律
通过多孔介质的层流，典型的压降是与速度大学成正比，常数C2可以认为是0。忽略对流加速度和扩散，多孔介质的动量方程源项就可以化简为达西定律：
(7.19-4)
坐标轴三个不同方向的压降fluent计算如下：
(7.19-5)
式中
是方程7.19-1中矩阵的项, 是, , and 方向速度
, , , and 是, , and 方向的多孔介质厚度.
这里, 多孔介质的厚度( , , or ) 是模型中的实际厚度. 如果
模型中的厚度不是实际厚度，就需要对输入参数
进行调整。
多孔介质材料惯性损失
在高速流动时，方程7.19-1中常数C2是对多孔介质中关于惯性损失的修正。这个常数被认为是流动方向单位长度的损失系数，压降定义为动水头的函数。
如果模拟多孔板或者管束系统，有时候可以忽略渗透项，只使用惯性损失项，就得到如下的多孔介质压降方程：
(7.19-6)
如下x，y，z方向的压力损失项：
(7.19-7)
Again, the thickness of the medium ( , , or ) is the thickness you have defined in your model.
( , , or )同前。
7.19.3 多孔介质能量方程
Fluent在多孔介质区域求解能量输运方程，并且修改了传导通量和瞬态项。在多孔介质区域，传导通量使用一个有效的传导率，瞬态项包含了多孔介质中的固体区域的热惯性。
(7.19-8)
式中
= 流体总能量
= 固体区域总能量
= 多孔介质孔隙率
= 多孔介质的有效热传导率
= 流体焓源项
多孔介质的有效热传导率
多孔介质的有效热传导率是根据区域中流体热传导和固体热传导根据体积
平均得到：
(7.19-9) 式中
= 多孔介质的孔隙率
=
, ) 流体项热传导率（包含湍流影响）
= 固体区域热传导率
流体，固体区域热传导都可以通过udf自定义。
非各向同性热传导同样也可以通过udf进行定义。在这种情况下，流体各向同性的影响加到固体各向异性矩阵的对角元素上。
7.19.4 多孔介质模型中的湍流模型
默认情况下，fluent会求解标准守恒湍流方程。这时，固体区域对湍流的生成和耗散率没有影响。当多孔介质的渗透性很好而且其几何尺度相比于湍流涡的尺度很小的时候是可行的。其它一些算例，可能还需要抑制多孔介质区域的湍流影响。
如果使用某种湍流模型，除了大涡模型，可以通过设定湍流粘性率为0来消除湍流的影响。当使用这种功能的时候，fluent将会把入口湍流输运通过多孔介质，而他们对流体混合和动量的影响将会被忽略。另外多孔介质区域的湍流生成率也被设定为0.选定fluid panel面板的laminar zone选项，这个模型将会被激活。
激活这个模型将暗示着是0而且多孔介质区域湍流生成率也为0。不选这个选项（默认）将会按照计算主流区域的计算方法来计算多孔介质的湍流。Laminar zone选项的详细介绍见section 7.17.1。
7.19.5 多孔介质模型的非定常项
非定常多孔介质计算，多孔介质对时间微分项的影响包含了所有的标量输运方程
和连续性方程。当考虑孔隙率影响的时候，时间微分方程项变成, 式
中是标量( , , etc.) and 是孔隙率.
孔隙率的影响是自动加入的，默认状况时孔隙率是设定为1.
7.19.6 多孔介质模型的用户输入
当使用多孔介质模型的时候，需要另外输入的问题部分如下。选项如下：
1. 定义多孔介质区域。
2. 定义多孔介质速度方程（可选）。
3. 选择流过多孔介质区域的流体材料。
4. 激活多孔介质区域的化学反应，如果有合适的反应机理，选择化学反应机理。
5. 默认这个选项是激活的，而且可以考虑移动的多孔介质。见section 7.19.6。
6. 设定粘性阻力系数 ( in Equation
7.19-1, or in
Equation 7.19-2)和惯性阻力系数( in Equation 7.19-1, or in Equation 7.19-2), 还有定义他们应用的方向矢量. 或者定义幂函数模型的系数.
7. 设定多孔介质区域的孔隙率。
8. 为多孔介质选择材料，这种情况只可能发生在热传导模型中。而且材料比热容只能设定为常数。
9. (optional) 设定固体多孔介质部分体积热生成率，或者其它源项如动量，质量。
10. (optional). 设定流体区域的固定值。
11. 如果合适，抑制多孔介质区域湍流度。
12. 如果有必要，设定旋转轴，或者区域运动等。
设定阻力系数或者渗透系数方法如下。如果选择幂函数近似来定义多孔介质动量源项，你需要输入C0,C1两个系数而不是阻力系数与流动方向。
可以在Boundary Conditions panel (as described in Section 7.1.4)的Fluid panel (Figure 7.19.1)设定多孔介质的所有参数,.
Figure 7.19.1: The Fluid Panel for a Porous Zone
定义多孔介质区域
就像7.1节描述的那样，多孔介质区域就像一个特殊的流体区域。点击fluid panel的porous zone选项就将这部分流体区域设定为了多孔介质区域。这时界面就被展开如图7.19.1。
定义多孔介质的孔隙速度方程
在多孔介质模型进行模拟的时候，求解面板有多孔介质速度方程区域，可以选择指导fluent使用虚假速度或者物理速度来进行求解。默认状态速度是虚假速度。详细情况见section7.19.7.
定义流过多孔介质的流体
选择fluid panel的下拉菜单material name中选择流过多孔介质的流体。如果想检查或者修改所选材料的属性，点击edit…；这个面板只有选择了的材料属性，而不像materials面板里面的所有材料属性。
如果模拟的是组分扩散方程或者多相流模型，material name菜单将不会
出现在fluid面板里。在组分扩散方程计算中，多孔介质区域和流体区
域的混合材料就是定义在species model面板里面的材料。多相流模型
中，材料因相的不同而不同，详细建section23.10.3.
激活多孔介质的化学反应
如果相模拟组分扩散的化学反应，可以通过激活fluid面板里面的reaction选项来激活在多孔介质中的化学反应。
如果化学反应中包含壁面化学反应，那么就需要定义surface－to－volume
ratio值。它是单位体积的表面积（A/V），可以看作催化剂载荷的一种度量方式。有了这个值，fluent就可以通过将它和网格里面的体积相乘来得到网格内
化学反应发生的总表面积。定义化学反应机理的详细部分见Section 14.1.4，壁面化学反应部分见Section 14.2
包含相对速度阻力公式
Prior to FLUENT6.3, cases with moving reference frames used the absolute velocities in the source calculations for inertial and viscous resistance. This approach has been enhanced so that relative velocities are used for the porous source calculations (Section 7.19.2). Using the Relative Velocity Resistance Formulation option (turned on by default) allows you to better predict the source terms for cases involving moving meshes or moving reference frames (MRF). This option works well in cases with non-moving and moving porous media. Note that FLUENT will use the appropriate velocities (relative or absolute), depending on your case setup.
定义粘性和惯性阻力系数
粘性和惯性阻力系数在同一个面板里面定义。定义这些系数的基本方法是定义一个方向矢量（二维）和两个方向矢量（三维），然后定义每个方向上的粘性或者、
和惯性系数。二维情况下，第二个方向没显式表示出来而是由定义的这个方向与z方向矢量确定的平面的垂直矢量。三维时，第三个方向矢量是由已经定义好的两个矢量确定的平面的垂直方向。三维问题中，第二个矢量必须与第一个矢量垂直，如果不垂直，求解器为了确保这两个矢量垂直，fluent会将第一个矢量相关的第二个矢量的组成忽略。所以你必须保证第一个方向矢量正确。
也可以使用udf来定义粘性和惯性阻力系数。书写和加载了fluent以后udf选项就可以使用了。注意必须使用DEFINE－PROFILE宏来定义系数。详细的udf
资料间udf帮助文件。
当使用轴对称的旋转流动时，可以为粘性和惯性阻力定义一个附加方向组成。这个方向始终与定义的另两个矢量相切。基于密度和基于压力求解器都可以使用这个模型。
三维时，也可以使用圆锥坐标和圆柱坐标系统来定义阻力系数，如下。
注意粘性和惯性阻力系数都基于虚假速度定义。
定义阻力系数步骤如下：
1.定义方向矢量
在笛卡尔坐标系中简单定义1－矢量，三维时候还要定义2－矢量，没有定义的那个矢量由上面说明的方式定义。这些方向矢量对应于多孔介质的原始坐标轴。
有些问题中多孔介质的原始坐标轴与计算区域的坐标轴不一致，这时就有可能不知道多孔介质的先前方向矢量。这种情况下，三维平面工作和二维
线工具就能帮助来确定这些方向矢量。
(a) "Snap'' the plane tool (or the line tool) onto the boundary
of the porous region. (Follow the instructions in Section 27.6.1 or 27.5.1 for initializing the tool to a position on an existing surface.) 在多孔介质区域的边界上面使用快照来使用平面或者线工具。
(b) 旋转工具轴到合适的位置。
(c) 一旦位置合适以后，点击update from plane tool或者update
from line tool选项，fluent就会自动设定红色箭头防线为1－矢量，
绿色箭头方向为二矢量。
To use a conical coordinate system (e.g., for an annular, conical filter element), follow the steps below. This option is available only in 3D cases.
(a) Turn on the Conical option.
(b) Specify the Cone Axis Vector and Point on Cone Axis. The
cone axis is specified as being in the direction of the Cone Axis Vector (unit vector), and passing through the Point on Cone Axis.
The cone axis may or may not pass through the origin of the
coordinate system.
(c) Set the Cone Half Angle(the angle between the cone's axis
and its surface, shown in Figure 7.19.2). To use a cylindrical coordinate system, set the Cone Half Angle to 0.
Figure 7.19.2: Cone Half Angle
For some problems in which the axis of the conical filter element is not aligned with the coordinate axes of the domain, you may not know a priori the direction vector of the cone axis and coordinates of a point on the cone axis. In such cases, the plane tool can help you to determine the cone axis vector and point coordinates. One method is as follows:
(a) Select a boundary zone of the conical filter element that
is normal to the cone axis vector in the drop-down list next to the Snap to Zone button.
(b) Click on the Snap to Zone button. FLUENT will automatically
"snap'' the plane tool onto the boundary. It will also set the Cone Axis Vector and the Point on Cone Axis. (Note that you will still have to set the Cone Half Angle yourself.)
An alternate method is as follows:
(a) "Snap'' the plane tool onto the boundary of the porous
region. (Follow the instructions in Section 27.6.1 for
initializing the tool to a position on an existing surface.)
(b) Rotate and translate the axes of the tool appropriately
until the red arrow of the tool is pointing in the direction of the cone axis vector and the origin of the tool is on the cone axis.
(c) Once the axes and origin of the tool are aligned, click on
the Update From Plane Tool button in the Fluid panel. FLUENT will automatically set the Cone Axis Vector and the Point on Cone Axis.
(Note that you will still have to set the Cone Half Angle yourself.)
2. 在粘性阻力下面定义粘性每个方向的阻力系数。
在惯性阻力现面定义每个方向的惯性阻力。
对于高非均质多孔介质惯性阻力，激活alternative formulation选项，这个选项为非均项多孔介质计算时候提供了一个更好的稳定性。多孔介质的压降与速度的大小成正比。使用方程7.19-6推到出如下表达式：
(7.19-10)
是否使用alternative formulation依赖于计算结果时候与实验结果吻合情况。如果流场与网格曲线平行，那么是否使用这个选项将没有区别。
Section 7.19-8有详细的涉及到高非均相多孔介质模拟。
注意alternative formulation选项只能使用在压力求解器中。
If you are using the Conical specification method, Direction-1is the cone axis direction, Direction-2is the normal to the cone surface (radial ( ) direction for a cylinder), and Direction-3 is the circumferential ( ) direction.
三维有三种可能的系数分类，二维有两种：
?各向同性情况时，所有方向的阻力系数都相同，这时需要明确的设定所有阻力系数相同。
?三维时如果两个方向系数相同，第三个方向不同，或者二维情况时其它两个方向都不同，必须小心设定每个方向的阻力系数。例如，如圆柱形杆在流动方向有许多小孔，这样流动就会很轻松低通过圆杆，但是其它方向的
就会很少。如果一个垂直与流动方向的平板，流动就会过不去，而往其它方向流动。
三维情况时，有可能三个方向的系数都不相同。如多孔介质包含一系列不规则的空间物体，物体间的流动三个方向都不相同。你就需要在各个方向
定义不同的系数。
取得粘性系数和惯性损失系数的方法如下：
在已知压损情况下取得多孔介质速度基于虚假速度。
当使用多孔介质模型时，必须记住多孔介质必须百分百开放，粘性阻力和或惯性阻力系数定义都必须基于这个假设。以下算例就是如何来计算惯性阻力系数的算例。
假设一个多孔板的空口面积为25％，流场经过后的压损为动力水头的0.5倍，损失系数如下：
(7.19-11)
是0.5，基于孔板的实际流速。例如开口面积为25％，计算一个合适的惯性阻力系数如下：
1. 通过空办的速度假设孔口为100％。
2. 压损系数必须被转化为单位多孔介质长度动力水头损失。
注意第一项，第一步就是计算调整以后的压力系数，是基于开口面积为100％情况下：
(7.19-12)
or, noting that for the same flow rate, ,
(7.19-13)
调整以后的压力损失系数为8。注意第二项，必须将其转化为单位厚度孔板的压力损失系数。假设孔板厚度为1.0mm，这时的惯性损失就如下：
(7.19-14)
注意，对于非均质多孔介质，这些参数必须在其它几个方向也进行计算。
使用ergun方程来提取填充床多孔介质参数
第二个例子是填充床模型计算，在湍流流动中，填充床模型中包含渗透和惯性阻力。其中能用来提取合适的常数的方法是ergun方程，半经验相关系数能够运用与很广范围的雷诺数和多种流化床：
(7.19-15)
当流体流动为层流的时候，根据blake－kozeny方程以上方程的第二项就可以忽略：
(7.19-16)
方程中是粘性系数, 是平均颗粒粒径, 是床厚度, 是孔隙率, 定义为孔隙体积除以流化床区域体积.比较 Equations 7.19-4 and 7.19-6与
7.19-15, 各个方向的渗透阻力系数和惯性阻力系数如下：
(7.19-17)
and
(7.19-18)
使用经验公式来提取孔板湍流多孔介质模型输入参数
第三个例子采用van winkle方程来计算矩形孔板压降的多孔介质模型输入。
文献中作者采用的上矩形孔等边三角形板表达式如下：
(7.19-19) 式中
= 孔板质量流率
= the free area or total area of the holes孔的总面积
= the area of the plate (solid and holes)板的总面积
= a coefficient that has been tabulated for various Reynolds-number ranges不同雷诺数和不同D/t对应的系数
and for various
= the ratio of hole diameter to plate thickness孔直径与板厚度的比值
当t/D>1.6而且Re>4000，系数C大约为0.98，其中re数是基于孔直径和孔内速度。
整理方程7.19－19，并带入以下关系式：
(7.19-20)
并被板厚度相除，，得到：
(7.19-21)
式中v是虚假速度，而不是孔里面的速度。比较方程7.19－6，可以看出垂直与板平面方向的常数c2如下：
(7.19-22)
使用查表数据得到流过纤维毯的层流多孔介质参数
考虑由随机分布的玻璃纤维组成的毛毯和过滤板。做为blake－kozeny方程的替代方法，可以选择列表的实验数据，这些数据可以运用于很多过滤板
式中，a是纤维直径，用于方程7.19－4中，可以很简单的从给定的纤维直径和体积分数得到。
根据实验压降和速度数据得到多孔介质系数
对应于多孔介质内速度的压降实验数据，能够推广来得到多孔介质参数。厚度为的多孔介质对应的压降，其多孔介质参数由如下参数决定：
如果实验数据是如下：
这时根据这些数据得到一个xy二维曲线，并得到以下方程：
(7.19-23)
式中，是压降，v是速度。
注意，动量方程的一个简化版本就是将压降与源项进行相关，如下：
(7.19-24)
or
(7.19-25)
因此比较方程7.19－23和方程7.19－2，得到曲线参数：
(7.19-26) 式中kg/m , and 多孔介质厚度, , 被假设为1m，惯性阻力系数,
.
Likewise,
同理
(7.19-27)
式中, 粘性阻力系数为, .
注意同样的处理方式能被用于多孔介质跳跃边界条件。同样你也需要考
虑多孔介质的厚度。实验数据也可以画xy曲线，就像方程7－22
－1，这样就可以确定渗透阻力系数和压降系数。
使用幂函数模型
选择幂函数模型来近似多孔介质动量方程源项，需要输入的参数只有c0和c1.在power law model中，输入c0和c1参数，注意幂函数模型能与达西定律和惯性模型结合使用。
C0必须为国际单位制，c1只能是常数。
定义孔隙率
在fluid porosity的porosity中定义孔隙率，这个输入窗口在阻力输入下面。
可以使用用户自定义函数来定义孔隙率。当加载并编译了udf以后，就可以在相应的下来菜单中选用。注意必须使用DEFINE-PROFILE宏来定义udf。生成和使用udf的详细信息见udf手册。
孔隙率就是多孔介质区域多孔介质流体的体积分数。孔隙率用来计算热传导见方程7.19.3和非定常流动标量方程的时间微分项见7.19.5节。它还影响到化学反应源项和体积力。这些源项与流体的体积成正比。如果介质区域完成的，可以设定孔隙率为1。如果孔隙率为1，介质的固体部分将对热传导或者热、化学源项没有影响。
定义多孔介质材料
当选择了多孔介质的热传导模型，就必须定义多孔介质的材料。
下拉fluid面板的阻力输入，在fluid 孔隙率下面选择合适的solid material name。可以使用material面板里面的edit来检查或者修改其组成；这个面板只包含了所选材料的性质，而不是标准材料面板里面的所有资料。在material面板中，可以定义udf的非各向同性热传导率。注意必须使用DEFINE-PROPERTY
宏来定义非各向同性热传导率。
定义源项
如果需要计算多孔介质能量方程的源项，激活source term选项并设定一个非零的能量源项。求解器将计算热生成率乘以网格里面的多孔介质的体积。可以定义质量，动量，湍流，组分或者其它标量方程的源项，见7.28节。
定义固定值
如果希望固定计算区域流体的某个或者多个值，而不是通过迭代来得到这些值，可以激活fixed values选项，见7.27节。
压制多孔介质区域的湍流粘性
就像7.19.4章节所讲的，多孔介质的湍流计算就像在没有多孔介质的主流动中一样。如果使用湍流，不包括les模型，假设你想让多孔介质区域的湍流生成率为0，激活laminar zone选项。参考7.17.1还有其它方法来压制湍流生成。
定义旋转坐标轴和定义移动区域
旋转坐标轴和移动区域的设定方法与标准的设定方法一直，见7.17.1章节。
7.19.7基于物理速度的多孔介质模型
就像7.19.1所述，fluent默认是基于体积流率来计算虚假速度。控制方程里面的虚假速度可以表示成以下方式：
(7.19-28)
式中：r定义为孔隙率，是流体所占体积与总体积的比值。
在多孔介质区域内部的虚假速度与区域外的速度一样。这样的处理方式就不能计算了多孔介质区域速度增加。在许多精确的数值模拟中，计算真实速度是必要的，或者物理速度，而不是计算虚假速度。
Fluent用需基于物理速度的计算，使用solver面板的porous formulation。默认superficial velocity选项是选上的。
使用物理速度方程，并假设通用标量的各向异性多孔介质的控制方程取下：
(7.19-29) 假设各向异性多孔介质和单相流动，体积平均质量和动量守恒方程如下：
(7.19-30)
(7.19-31
) 第二个方程的最后一项代表多孔介质壁面对流体的粘性和惯性力。
Note that even when you solve for the physical velocity in
Equation 7.19-31, the two resistance coefficients can still be
derived using the superficial velocity as given in
Section 7.19.6. FLUENT assumes that the inputs for these
resistance coefficients are based upon well-established
empirical correlations that are usually based on superficial
velocity. Therefore, FLUENT automatically converts the inputs
for the resistance coefficients into those that are compatible
with the physical velocity formulation.
Note that the inlet mass flow is also calculated from the
superficial velocity. Therefore, for the same mass flow rate at
the inlet and the same resistance coefficients, for either the
physical or superficial velocity formulation you should obtain
the same pressure drop across the porous media zone.
7.19.8 多孔介质模型的求解策略
一般情况下，可以使用标准求解过程和求解参数来模拟多孔介质模型。当渗透系
数比较小或者惯性系数比较大的时候导致压降相对较大，从而会导致收敛变慢。压降做为动量方程源项，使得对角占优矩阵方程的优势降低从而导致求解速度降低。提供一个好的初始压降假设是解决弱收敛性的方法。可以通过为多孔介质的前后区域的压力场打补丁的方式来获得这个初值，描述见
Section 25.14.2.但是使用这个补丁压力的四会后必须记住的是输入的压力值一定是求解器中的总压，对应于operating conditions panel面板中的操作压力。
另一个解决弱收敛性问题的方法就是临时取消多孔介质模型，计算得到一个没有多孔介质影响的流场。取消多孔介质模型以后，fluent就会将多孔介质区域当做一个流场区域并计算相应的流场。一旦计算得到一个初始流场，或者计算达到稳定或者收敛之后，就可以将多孔介质模型激活接着计算。（当压祖较大的时候这个方法不推荐使用）
涉及到高非各向异性的多孔介质模型的时候，模拟过程有时候可能会遇到收敛问
题。可以通过限制多孔介质系数( and )在两个或者三个量级的范围内。甚至如果一个方向的阻力是无穷大的时候，不需要把这个方向的阻力设置的很大。
7.19.9多孔介质模型的后处理
多孔介质模型对流场的影响可以通过速度或者压力值来表现。图象显示（包含xy曲线，等高线，或者矢量曲线）或者相关变量或者函数的相关数字报告。
多孔介质在fluent中的操作方法 网络上传版本
如何在Fluent中实现多孔介质双能量方程(LNTE) How to use Non-equilibrium Thermal equation (LNTE) model for Porous media in Fluent Software ●请参照本人发表的文章： ●Please refer to the following papers： 1)Wang Fu–Qiang*，Shuai Yong*，Wang Zhi–Q iang，Leng Yu，Tan He–Ping. Thermal and chemical reaction performance analyses of steam methane reforming in porous media solar thermochemical reactor，International Journal of Hydrogen Energy，39(2)：718-730，2014 关键词：Porous, Solar, Hydrogen, Methane, Reforming, P1 approximation, radiative heat transfer 2)Wang Fu–Qiang*，Shuai Yong*，Tan He–Ping，Zhang Xiao-Feng，Mao Qian-Jun，Heat transfer analyses of porous media receiver with multi–dish collector by coupling MCRT and FVM method，Solar Energy，93：158–168，2013 关键词：Solar, Porous, dish concentrator, Receiver, Monte Carlo 3)Wang Fu–Qiang*，Shuai Yong*，Tan He–Ping，Yu Chun–Liang，Thermal Performance Analysis of Porous Media Receiver with Concentrated Solar Irradiation，International Journal of Heat and Mass Transfer，62：247–254，2013 关键词：Solar, Porous, dish concentrator, Receiver, Monte Carlo
FLUENT多孔介质中平面面板(plane surface)工具的使用
1、输出grid图形 2、选择surface---plane,打开plane surface面板 3、通过确定三个点来确定平面位置。单击slect point，出现提示，不点选cancel.在grid 图形的多孔介质区域任意位置右键点选3个点。 4、回到plane surface面板，勾选plane tool，则在grid图形的多孔介质区域出现一个平面。
若出现的平面与我们的预期相差比较大的话，可以单击reset points,可以获得一个特殊位置的平面。 5、打开多孔介质的控制面板，选择porou zone标签，点击update from plane tool按钮，获得方向矢量1，和方向矢量2的原始值，并与左下角的坐标系统比较，确定我们大概的旋转方向。 6、对比grid图形左下角的坐标系统，红线和红色箭头代表的是方向矢量1，绿线和绿色箭头代表的是方向矢量2 应该使红线和X正方向平行，绿线和Y正方向平行。具体的操作应该是： 一：先单击白线的蓝色箭头，固定了该方向在旋转过程中不变，可以保证在旋转的过程比较有规律，然后右键点选白线的红色箭头旋转红线的红色箭头到X的正轴； 二: 接下来应该是单击白线的红色箭头，固定该方向不变，单击白线的蓝色箭头，旋转绿线的绿色箭头指向Y的正轴。（所以多孔介质区域我们一般是设置在坐标系统里面，轴线等 与坐标系统无非直角角度关系）。把平面移动到图形外有利于旋转，比较清楚。平面
法线方向的移动是用鼠标右键单击平面阴影部分并拖动，横向移动则需按下shift并进行如上操作。 7、旋转到适当的位置后（鼠标右键拖动箭头），再次点击update from plane tool按钮，获得方向矢量1，和方向矢量2。 得到的数值很可能不是整数，这个时候我们可以把他简化为整数。例如：0.9123可以简化为1，0.01245可以简化为0，以此类推。
多孔介质条件多孔介质模型可以应用于很多问题,如通过充满介质的流动
多孔介质条件 多孔介质模型可以应用于很多问题，如通过充满介质的流动、通过过滤纸、穿孔圆盘、流量分配器以及管道堆的流动。当你使用这一模型时，你就定义了一个具有多孔介质的单元区域，而且流动的压力损失由多孔介质的动量方程中所输入的内容来决定。通过介质的热传导问题也可以得到描述，它服从介质和流体流动之间的热平衡假设，具体内容可以参考多孔介质中能量方程的处理一节。 多孔介质的一维化简模型，被称为多孔跳跃，可用于模拟具有已知速度/压降特征的薄膜。多孔跳跃模型应用于表面区域而不是单元区域，并且在尽可能的情况下被使用（而不是完全的多孔介质模型），这是因为它具有更好的鲁棒性，并具有更好的收敛性。详细内容请参阅多孔跳跃边界条件。 1、多孔介质模型的限制 如下面各节所述，多孔介质模型结合模型区域所具有的阻力的经验公式被定义为“多孔”。事实上多孔介质不过是在动量方程中具有了附加的动量损失而已。因此，下面模型的限制就可以很容易的理解了。 ● 流体通过介质时不会加速，因为事实上出现的体积的阻塞并没有在模型中出现。这对于过渡流是有很大的影响的，因为它意味着FLUENT 不会正确的描述通过介质的过渡时间。 ● 多孔介质对于湍流的影响只是近似的。详细内容可以参阅湍流多孔介质的处理一节。 2、多孔介质的动量方程 多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。源项由两部分组成，一部分是粘性损失项 (Darcy)，另一个是内部损失项： ∑∑==+=31312 1j j j j ij j ij i v v C v D S ρμ 其中S_i 是i 向(x, y, or z)动量源项，D 和C 是规定的矩阵。在多孔介质单元中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度（或速度方阵）成比例。 对于简单的均匀多孔介质： j j i i v v C v S ραμ2 12+= 其中a 是渗透性，C2是内部阻力因子，简单的指定D 和C 分别为对角阵1/a 和C2，其它项为零。 FLUENT 还允许模拟的源项为速度的幂率： ()i C C j i v v C v C S 10011-== 其中C_0和C_1为自定义经验系数。 注意：在幂律模型中，压降是各向同性的，C_0的单位为国际标准单位。
(整理)多孔介质-Fluent模拟
7.19多孔介质边界条件 多孔介质模型适用的范围非常广泛，包括填充床，过滤纸，多孔板，流量分配器，还有管群，管束系统。当使用这个模型的时候，多孔介质将运用于网格区域，流场中的压降将由输入的条件有关，见Section 7.19.2.同样也可以计算热传导，基于介质和流场热量守恒的假设，见Section 7.19.3. 通过一个薄膜后的已知速度/压力降低特性可以简化为一维多孔介质模型，简称为“多孔跳跃”。多孔跳跃模型被运用于一个面区域而不是网格区域，而且也可以代替完全多孔介质模型在任何可能的时候，因为它更加稳定而且能够很好地收敛。见Section 7.22. 7.19.1 多孔介质模型的限制和假设 多孔介质模型就是在定义为多孔介质的区域结合了一个根据经验假设为主的流动阻力。本质上，多孔介质模型仅仅是在动量方程上叠加了一个动量源项。这种情况下，以下模型方面的假设和限制就可以很容易得到： ?因为没有表示多孔介质区域的实际存在的体，所以fluent默认是计算基于连续性方程的虚假速度。做为一个做精确的选项，你可以适用fluent 中的真是速度，见section7.19.7。 ?多孔介质对湍流流场的影响，是近似的，见7.19.4。 ?当在移动坐标系中使用多孔介质模型的时候，fluent既有相对坐标系也可以使用绝对坐标系，当激活相对速度阻力方程。这将得到更精确的源项。 相关信息见section7.19.5和7.19.6。 ?当需要定义比热容的时候，必须是常数。 7.19.2 多孔介质模型动量方程 多孔介质模型的动量方程是在标准动量方程的后面加上动量方程源项。源项包含两个部分：粘性损失项（达西公式项，方程7.19-1右边第一项），和惯性损失项（方程7.19-1右边第二项） (7.19-1)
FLUENT多孔介质数值模拟设置
FLUENT多孔介质数值模拟设置 多孔介质条件 多孔介质模型可以应用于很多问题，如通过充满介质的流动、通过过滤纸、穿孔圆盘、流量分配器以及管道堆的流动。当你使用这一模型时，你就定义了一个具有多孔介质的单元区域，而且流动的压力损失由多孔介质的动量方程中所输入的内容来决定。通过介质的热传导问题也可以得到描述，它服从介质和流体流动之间的热平衡假设，具体内容可以参考多孔介质中能量方程的处理一节。 多孔介质的一维化简模型，被称为多孔跳跃，可用于模拟具有已知速度/压降特征的薄膜。多孔跳跃模型应用于表面区域而不是单元区域，并且在尽可能的情况下被使用（而不是完全的多孔介质模型），这是因为它具有更好的鲁棒性，并具有更好的收敛性。详细内容请参阅多孔跳跃边界条件。 多孔介质模型的限制 如下面各节所述，多孔介质模型结合模型区域所具有的阻力的经验公式被定义为“多孔”。事实上多孔介质不过是在动量方程中具有了附加的动量损失而已。因此，下面模型的限制就可以很容易的理解了。 流体通过介质时不会加速，因为事实上出现的体积的阻塞并没有在模型中出现。这对于过渡流是有很大的影响的，因为它意味着FLUENT不会正确的描述通过介质的过渡时间。 多孔介质对于湍流的影响只是近似的。详细内容可以参阅湍流多孔介质的处理一节。 多孔介质的动量方程 多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。源项由两部分组成，一部分是粘性损失项 (Darcy)，另一个是内部损失项： 其中S_i是i向(x, y, or z)动量源项，D和C是规定的矩阵。在多孔介质单元中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度（或速度方阵）成比例。 对于简单的均匀多孔介质： 其中a是渗透性，C_2时内部阻力因子，简单的指定D和C分别为对角阵1/a 和C_2其它项为零。 FLUENT还允许模拟的源项为速度的幂率： 其中C_0和C_1为自定义经验系数。 注意：在幂律模型中，压降是各向同性的，C_0的单位为国际标准单位。 多孔介质的Darcy定律 通过多孔介质的层流流动中，压降和速度成比例，常数C_2可以考虑为零。忽略对流加速以及扩散，多孔介质模型简化为Darcy定律： 在多孔介质区域三个坐标方向的压降为：
完整word版,fluent中多孔介质设置问题和算例
经过痛苦的一段经历，终于将局部问题真相大白，为了使保位同仁不再经过我之痛苦，现在将本人多孔介质经验公布如下，希望各位能加精： 1。Gambit中划分网格之后，定义需要做为多孔介质的区域为fluid,与缺省的fluid分别开来，再定义其名称，我习惯将名称定义为porous; 2。在fluent中定义边界条件define-boundary condition-porous(刚定义的名称)，将其设置边界条件为fluid,点击set按钮即弹出与fluid边界条件一样的对话框，选中porous zone与laminar复选框,再点击porous zone标签即出现一个带有滚动条的界面；
3。porous zone设置方法： 1）定义矢量：二维定义一个矢量，第二个矢量方向不用定义，是与第一个矢量方向正交的；
三维定义二个矢量，第三个矢量方向不用定义，是与第一、二个矢量方向正交的； （如何知道矢量的方向：打开grid图，看看X,Y,Z的方向，如果是X向，矢量为1,0,0,同理Y向为0,1,0，Z向为0,0,1,如果所需要的方向与坐标轴正向相反，则定义矢量为负） 圆锥坐标与球坐标请参考fluent帮助。 2）定义粘性阻力1/a与内部阻力C2：请参看本人上一篇博文“终于搞清fluent中多孔粘性阻力与内部阻力的计算方法”，此处不赘述；
3）如果了定义粘性阻力1/a与内部阻力C2,就不用定义C1与C0，因为这是两种不同的定义方法，C1与C0只在幂率模型中出现，该处保持默认就行了； 4）定义孔隙率porousity，默认值1表示全开放，此值按实验测值填写即可。 完了，其他设置与普通k-e或RSM相同。总结一下，与君共享!
Fluent计算多孔介质模型资料
广东省深圳市宝安区沙井辛养社区西部工业园 TEL:+86-755-3366-8888 FAX:+86-755-3366-0612 Fluent计算多孔介质模型资料 这是一个多孔介质例子，进口速度为0.01m/s,组份为液态水和氧气，其中氧气从多孔介质porous jump 渗透过去，如何看氧气在tissue中扩散的。 porous jump的face permeability1 a=e-8 m_2 thickness 设为0.0001 pressure jump coefficient为默认 porous zone设置如下： direction vector 1, 1, viscous resistance 100 each inertial resistance 100 each porosity 0.1 边界条件设置如下： Ab – wall - default Bc – wall – default Be – porous jump – face permeability 1e-8, porous medium thickness 0.0001 Cd – outflow rating – 0.5 De – wall – default Default interior – interior Default interior001 – interior Default interior019 – interior Ef – wall - default Fg – outflow rating – 1 Fluid - porous zone - direction vector 1, 1, viscous resistance 100 each, inertial resistance 100 each, porosity 0.1 Gh- wall - default Hi – wall - default Hk - porous jump same conditions as other Ij – outflow – 0.5 Jk – wall – default Kl – wall – default
FLUENT帮助里自带的多孔介质算例-经典资料
Tutorial 7. Modeling Flow Through Porous Media Introduction Many industrial applications involve the modeling of ow through porous media, such as _lters, catalyst beds, and packing. This tutorial illustrates how to set up and solve a problem involving gas ow through porous media. The industrial problem solved here involves gas ow through a catalytic converter. Catalytic converters are commonly used to purify emissions from gasoline and diesel engines by converting environmentally hazardous exhaust emissions to acceptable substances. Examples of such emissions include carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOx), and unburned hydrocarbon fuels. These exhaust gas emissions are forced through a substrate, which is a ceramic structure coated with a metal catalyst such as platinum or palladium. The nature of the exhaust gas ow is a very important factor in determining the performance of the catalytic converter. Of particular importance is the pressure gradient and velocity distribution through the substrate. Hence CFD analysis is used to designe_cient catalytic converters: by modeling the exhaust gas ow, the pressure drop and the uniformity of ow through the substrate can be determined. In this tutorial, FLUENT is used to model the ow of nitrogen gas through a catalytic converter geometry, so that the ow _eld structure may be analyzed. This tutorial demonstrates how to do the following: _ Set up a porous zone for the substrate with appropriate resistances. _ Calculate a solution for gas ow through the catalytic converter using the pressurebased solver. _ Plot pressure and velocity distribution on speci_ed planes of the geometry. _ Determine the pressure drop through the substrate and the degree of non-uniformity of ow through cross sections of the geometry using X-Y plots and numerical reports. 许多工业应用都涉及通过多孔介质（如过滤器，催化剂床和填料）的流动模型。本教程说明如何建立和解决涉及气体通过多孔介质的问题。 这里解决的工业问题涉及通过催化转换器的气体流量。催化转化器通常用于通过将对环境有害的废气排放物转化为可接受的物质来净化汽油和柴油发动机的排放物。 这种排放的例子包括一氧化碳（CO），氮氧化物（NOx）和未燃烧的碳氢化合物燃料。这些废气排放物被迫通过衬底，该衬底是涂覆有诸如铂或钯的金属催化剂的陶瓷结构。 排气流量的性质是决定催化转化器性能的一个非常重要的因素。特别重要的是通过基底的压力梯度和速度分布。因此，使用CFD分析来设计催化转换器：通过对排气流量进行建模，可以确定通过基板的流量的压降和流量的均匀性。在本教程中，FLUENT 用于模拟通过催化转化器几何形状的氮气流量，从而可以分析流量结构。 本教程演示了如何执行以下操作： _设置具有适当阻力的基材的多孔区域。 _使用基于压力的解算器计算通过催化转化器的气体流量的解决方案。 _绘制几何体特定平面上的压力和速度分布。 _确定通过基材的压降和不均匀的程度 通过使用X-Y图和数字报告的几何横截面的流量。 Prerequisites This tutorial assumes that you are familiar with the menu structure in FLUENT and that you have completed Tutorial 1. Some steps in the setup and solution procedure will not be shown explicitly. 本教程假设您熟悉FLUENT中的菜单结构您已完成教程1.设置和解决方案过程中的某些步骤不会明确显示。Problem Description
Fluent建模教程
目录 1.理论知识 1.1Gambit软件的介绍 1.2Fluent软件的介绍 1.3Exceed.13+Gambit.V 2.4.06+Fluent.6.3安装介绍 2.建模过程 2.1Gambit 启动 2.2建立几何模型 3.网格划分 3.1划分网格 3.2检查网格划分情况 3.3设置边界类型 3.4输出网格文件 4.计算求解 4.1检查网格并定义长度单位 4.2设置计算模型 4.3设置流体材料属性 4.4设置边界条件 4.5求解初始化 4.6设置残差监视 4.7保存case文件 4.8求解计算 4.9保存计算结果 5.后期处理 5.1读入case和data文件 5.2显示网格 5.3创建相关面 5.4计算各单电池获得的质量流率 5.5绘制图表 6.参考链接
第一章理论知识 1.1Gambit软件的介绍 GAMBIT是为了帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学（CFD）模型和其它科学应用而设计的一个软件包。GAMBIT通过它的用户界面（GUI）来接受用户的输入。GAMBIT GUI简单而又直接的做出建立模型、网格化模型、指定模型区域大小等基本步骤，然而这对很多的模型应用已是足够了。 面向CFD分析的高质量的前处理器，其主要功能包括几何建模和网格生成。由于GAMBIT本身所具有的强大功能，以及快速的更新，在目前所有的CFD前处理软件中，GAMBIT稳居上游。 GAMBIT软件具有以下特点： ☆ACIS内核基础上的全面三维几何建模能力，通过多种方式直接建立点、线、面、体，而且具有强大的布尔运算能力，ACIS内核已提高为ACIS R12。该功能大大领先于其它CAE软件的前处理器； ☆可对自动生成的Journal文件进行编辑，以自动控制修改或生成新几何与网格； ☆可以导入PRO/E、UG、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN等大多数CAD/CAE软件所建立的几何和网格。导入过程新增自动公差修补几何功能，以保证GAMBIT与CAD软件接口的稳定性和保真性，使得几何质量高，并大大减轻工程师的工作量； ☆新增PRO/E、CATIA等直接接口，使得导入过程更加直接和方便； ☆强大的几何修正功能，在导入几何时会自动合并重合的点、线、面；新增几何修正工具条，在消除短边、缝合缺口、修补尖角、去除小面、去除单独辅助线和修补倒角时更加快速、自动、灵活，而且准确保证几何体的精度； ☆G/TURBO模块可以准确而高效的生成旋转机械中的各种风扇以及转子、定子等的几何模型和计算网格； ☆强大的网格划分能力，可以划分包括边界层等CFD特殊要求的高质量网格。GAMBIT中专用的网格划分算法可以保证在复杂的几何区域内直接划分出高质量的四面体、六面体网格或混合网格； ☆先进的六面体核心(HEXCORE)技术是GAMBIT所独有的，集成了笛卡尔网格和非结构网格的优点，使用该技术划分网格时更加容易，而且大大节省网格数量、提高网格质量； ☆居于行业领先地位的尺寸函数（Size function）功能可使用户能自主控制网格的生成过程以及在空间上的分布规律，使得网格的过渡与分布更加合理，最大限度地满足CFD分析的需要；
FLUENT多孔介质数值模拟设置
C=对于不同D/t的不同雷诺数范围被列成不同的表的系数 A_p=圆盘的面积（固体和洞) 如果你选择在多孔介质中模拟热传导，你必须指定多孔介质中的材料以及多孔性。要定义多孔介质的材料，向下拉流体面板中阻力输入底下的滚动条，然后在多孔热传导的固体材料下拉列表中选中适当的固体。 另一个处理收敛性差的要领是临时取消多孔介质模型（在流体面板中关闭多孔区域）然后获取一个不受多孔区域影响的初始流场。取消多孔区域后，FLUEＮT会将多孔区域处理为流体区域并按响应的流体区域来计算。一旦获取了初始解，或者计算很容易收敛，你就可以激活多孔模型继续计算包罗多孔区域的流场（对于大阻力多孔介质不保举使用该要领）。 这些变量会在后处理面板的变量选择下拉菜谱制定类别中出现。 然后在多孔热传导下设定多孔性。多孔性f是多孔介质中流体的体积分数（即介质的开放体积分数）。多孔性用于介质中的热传导预测，处理要领请参阅多孔介质能量方程的处理一节。它还对介质中的反应源项和体力的计算有影响。这个源项和介质中流体的体积成比例。如果你想要模拟完全开放的介质（固体介质没有影响），你应该设定多孔性为1.0。当多孔性为1.0时，介质的固体部门对于热传导和（或）热源项/反应源项没有影响。注意：多孔性永远不会影响介质中的流体速率，这已经在多孔介质的动量方程一节中介绍了。不管你将多孔性设定为何值，，FLUEＮT所预测的速率都是介质中的外貌速率。 对于多孔介质动量源项（多孔介质动量方程中的方程5），如果你使用幂律模型近似，你只要在流体面板的幂律模型中输入系数C_0和C_1就可以了。如果C_0或C_1为非零值，解算器会忽略面板中除了多孔介质幂律模型之外的所有输入。 定义源项
多孔介质-Fluent模拟
多孔介质-Fluent模拟 7.19多孔介质边界条件 多孔介质模型适用的范围非常广泛，包括填充床，过滤纸，多孔板，流量分配器，还有管群，管束系统。当使用这个模型的时候，多孔介质将运用于网格区域，流场中的压降将由输入的条件有关，见Section 7.19.2.同样也可以计算热传导，基于介质和流场热量守恒的假设，见Section 7.19.3. 通过一个薄膜后的已知速度/压力降低特性可以简化为一维多孔介质模型，简称为“多孔跳跃”。多孔跳跃模型被运用于一个面区域而不是网格区域，而且也可以代替完全多孔介质模型在任何可能的时候，因为它更加稳定而且能够很好地收敛。见Section 7.22. 7.19.1 多孔介质模型的限制和假设 多孔介质模型就是在定义为多孔介质的区域结合了一个根据经验假设为主的流动阻力。本质上，多孔介质模型仅仅是在动量方程上叠加了一个动量源项。这种情况下，以下模型方面的假设和限制就可以很容易得到: , 因为没有表示多孔介质区域的实际存在的体，所以fluent默认是计算基于连续性方程的虚假速度。做为一个做精确的选项，你可以适用fluent 中的真是速度，见section7.19.7。 , 多孔介质对湍流流场的影响，是近似的，见7.19.4。 , 当在移动坐标系中使用多孔介质模型的时候，fluent既有相对坐标系也 可以使用绝对坐标系，当激活相对速度阻力方程。这将得到更精确的源项。 相关信息见section7.19.5和7.19.6。 , 当需要定义比热容的时候，必须是常数。 7.19.2 多孔介质模型动量方程
多孔介质模型的动量方程是在标准动量方程的后面加上动量方程源项。源项包含两个部分:粘性损失项(达西公式项，方程7.19-1右边第一项)，和惯性损失项(方程7.19-1右边第二项) (7.19-1) 式中，si是i(x，y，z)动量方程的源项，是速度大小，D和C是矩阵。动量源项对多孔介质区域的压力梯度有影响，生成一个与速度大小(速度平方)成正比的压降。 对于各向同性多孔介质简单情况下: (7.19-2) 式中是渗透性系数，是惯性阻力系数，也就是将D,C矩阵简化为对角矩阵，对角上的系数分别为和，其它元素都是0. 同样fluent也可以将源项设定为速度的幂函数型: (7.19-3) 式中and 是用户自定义的经验系数。. 在幂函数型模型中，压降是均匀的，的单位是国际单位制。多孔介质中的达西定律
fluent多孔介质参数设定
Chapter 10: Modeling Flow Through Porous Media This tutorial is divided into the following sections: 10.1. Introduction 10.2. Prerequisites 10.3. Problem Description 10.4. Setup and Solution 10.5. Summary 10.6. Further Improvements 10.1. Introduction Many industrial applications such as filters, catalyst beds and packing, involve modeling the flow through porous media.This tutorial illustrates how to set up and solve a problem involving gas flow through porous media. The industrial problem solved here involves gas flow through a catalytic converter. Catalytic converters are commonly used to purify emissions from gasoline and diesel engines by converting environmentally hazardous exhaust emissions to acceptable substances. Examples of such emissions include carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOx), and unburned hydrocarbon fuels.These exhaust gas emissions are forced through a substrate, which is a ceramic structure coated with a metal catalyst such as platinum or palladium. The nature of the exhaust gas flow is a very important factor in determining the performance of the catalytic converter. Of particular importance is the pressure gradient and velocity distribution through the substrate. Hence CFD analysis is used to design efficient catalytic converters. By modeling the exhaust gas flow, the pressure drop and the uniformity of flow through the substrate can be determined. In this tutorial, ANSYS FLUENT is used to model the flow of nitrogen gas through a catalytic converter geometry, so that the flow field structure may be analyzed. This tutorial demonstrates how to do the following: ?Set up a porous zone for the substrate with appropriate resistances. ?Calculate a solution for gas flow through the catalytic converter using the pressure-based solver.?Plot pressure and velocity distribution on specified planes of the geometry. ?Determine the pressure drop through the substrate and the degree of non-uniformity of flow through cross sections of the geometry using X-Y plots and numerical reports. 10.2. Prerequisites This tutorial is written with the assumption that you have completed one or more of the introductory tutorials found in this manual: ?Introduction to Using ANSYS FLUENT in ANSYS Workbench: Fluid Flow and Heat Transfer in a Mixing Elbow (p.1) ?Parametric Analysis in ANSYS Workbench Using ANSYS FLUENT (p.77)
FLUENT多孔介质数值模拟设置
FLUEN■多孔介质数值模拟设置多孔介质条件 多孔介质模型可以应用于很多问题，如通过充满介质的流动、通过过滤纸、穿孔圆盘、流量分配器以及管道堆的流动。当你使用这一模型时，你就定义了一个具有多孔介质的单元区域，而且流动的压力损失由多孔介质的动量方程中所输入的内容来决定。通过介质的热传导问题也可以得到描述，它服从介质和流体流动之间的热平衡假设，具体内容可以参考多孔介质中能量方程的处理一节。 多孔介质的一维化简模型，被称为多孔跳跃，可用于模拟具有已知速度/压 降特征的薄膜。多孔跳跃模型应用于表面区域而不是单元区域，并且在尽可能的情况下被使用(而不是完全的多孔介质模型)，这是因为它具有更好的鲁棒性，并具有更好的收敛性。详细内容请参阅多孔跳跃边界条件。 多孔介质模型的限制 如下面各节所述，多孔介质模型结合模型区域所具有的阻力的经验公式被定义为“多孔”。事实上多孔介质不过是在动量方程中具有了附加的动量损失而已。因此，下面模型的限制就可以很容易的理解了。 —I 二流体通过介质时不会加速，因为事实上出现的体积的阻塞并没有在模型中出现。这对于过渡流是有很大的影响的，因为它意味着FLUENT S 会正确的描述通过介质的过渡时间。 多孔介质对于湍流的影响只是近似的。详细内容可以参阅湍流多孔介质的处理一节。 多孔介质的动量方程 多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。源项由两部分组成，一部分是粘性损失项(Darcy)，另一个是内部损失项： 其中S_i是i向(x, y, or z) 动量源项，D和C是规定的矩阵。在多孔介质 单元中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度(或速度方阵)成比例。 对于简单的均匀多孔介质： 其中a是渗透性，C_2时内部阻力因子，简单的指定D和C分别为对角阵1/a 和C_2其它项为零。 FLUENT?允许模拟的源项为速度的幕率：其中C_0和C_1为自定义经验系数。 注意：在幕律模型中，压降是各向同性的，C_0的单位为国际标准单位。 多孔介质的Darcy定律 通过多孔介质的层流流动中，压降和速度成比例，常数C_2可以考虑为零。 忽略对流加速以及扩散，多孔介质模型简化为Darcy定律： 在多孔介质区域三个坐标方向的压降为： 其中为多孔介质动量方程1中矩阵D的元素v为三个方向上的分速度，D n_x、D
多孔介质模型
FLUENT6.1全攻略 分量来定义。 图8-26 Solid（固体）面板 6. 定义辐射参数 如果使用DO模型计算辐射过程，可以在Participates in Radiation（是否参与辐射）选项中确定固体区域是否参与辐射过程。 8.19 多孔介质条件 很多问题中包含多孔介质的计算，比如流场中包括过滤纸、分流器、多孔板和管道集阵等边界时就需要使用多孔介质条件。在计算中可以定义某个区域或边界为多孔介质，并通过参数输入定义通过多孔介质后流体的压力降。在热平衡假设下，也可以确定多孔介质的热交换过程。 在薄的多孔介质面上可以用一维假设“多孔跳跃（porous jump）”定义速度和压强的降落特征。多孔跳跃模型用于面区域，而不是单元区域，在计算中应该尽量使用这个模型，因为这个模型可以增强计算的稳定性和收敛性。 9
FLUENT6.1全攻略 10 8.19.1 多孔介质模型的假设和限制条件 多孔介质模型采用经验公式定义多孔介质上的流动阻力。从本质上说，多孔介质模型就是在动量方程中增加了一个代表动量消耗的源项。因此，多孔介质模型需要满足下面的限制条件： （1）因为多孔介质的体积在模型中没有体现，在缺省情况下，FLUENT 在多孔介质内部使用基于体积流量的名义速度来保证速度矢量在通过多孔介质时的连续性。如果希望更精确地进行计算，也可以让FLUENT 在多孔介质内部使用真实速度，详情见8.19.7节。 （2）多孔介质对湍流的影响仅仅是近似。 （3）在移动坐标系中使用多孔介质模型时，应该使用相对坐标系，而不是绝对坐标系，以保证获得正确的源项解。 8.19.2 多孔介质的动量方程 在动量方程中增加一个动量源项可以模拟多孔介质的作用。源项由两部分组成：一个粘性损失项，即方程（8-45）右端第一项；和一个惯性损失项，即方程（8-45）右端第二项。 ????????+?=∑∑==3131 21j j mag ij j j ij i v v C v D S ρμ （8-45） 式中i S 是第i 个（x 、y 或z 方向）动量方程中的源项，D 和C 是给定矩阵。负的源项又被称为“汇”，动量汇对多孔介质单元动量梯度的贡献，在单元上产生一个正比于流体速度（或速度平方）的压力降。 在简单、均匀的多孔介质上，还可以使用下面的数学模型： ?? ????+?=i mag i i v v C v S ραμ212 （8-46） 式中α代表多孔介质的渗透性，2C 是惯性阻力因子，将D 和C 分别定义为由α/1和2C 为对角单元的对角矩阵。 FLUENT 中还可以用速度的指数律作为源项的模型，即： ()i C C i v v C v C S 10011??=?= （8-47） 式中0C 和1C 为用户自定义的经验常数。其中压力降是各向同性的，0C 的单位为国际
Fluent多孔介质设置
1。Gambit中划分网格之后，定义需要做为多孔介质的区域为fluid,与缺省的fluid 分别开来，再定义其名称，我习惯将名称定义为porous; 2。在fluent中定义边界条件define-boundary condition-porous(刚定义的名称)，将其设置边界条件为fluid,点击set按钮即弹出与fluid边界条件一样的对话框，选中porous zone与laminar复选框,再点击porous zone标签即出现一个带有滚动条的界
面；
3。porous zone设置方法： 1）定义矢量：二维定义一个矢量，第二个矢量方向不用定义，是与第一个矢量方向正交的； 三维定义二个矢量，第三个矢量方向不用定义，是与第一、二个矢量方向正交的； （如何知道矢量的方向：打开grid图，看看X,Y,Z的方向，如果是X向，矢量为1,0,0,同理Y向为0,1,0，Z向为0,0,1,如果所需要的方向与坐标轴正向相反，则定义矢量为负） 圆锥坐标与球坐标请参考fluent帮助。 2）定义粘性阻力1/a与内部阻力C2： 下面是一个例子： 通过实验测得速度和压降进行计算：
假设实验所得速度和压降的数值如下： 通过多孔介质的为空气，密度为1.225kg/m 3粘度为5 1.789410μ?=× 。由上面速度与压 降的关系可以绘出一个二次由线。方程如下： 20.28296 4.33539p v v ?=? 简化的动量方程 所得二次由线与方程 相比较，对应的系数相等，可得 21 0.282962i c v v ρ=
4.33539n μα ?=? 设厚度为1m,可以解出 20.462 1 242282c α==? 依据些方法计算自己所模拟的模型的粘性阻力和惯性阻力。 3）如果了定义粘性阻力1/a 与内部阻力C2,就不用定义C1与C0，因为这是两种不同的定义方法，C1与C0只在幂率模型中出现，该处保持默认就行了； 4）定义孔隙率porousity ，默认值1表示全开放，此值按实验测值填写即可。