(整理)多孔介质-Fluent模拟
fluent多孔介质非平衡热模型
fluent多孔介质非平衡热模型
Fluent多孔介质非平衡热模型是针对多孔介质内部非平衡热传导现象而开发的一种数值模型，常用于研究岩石、煤矿、土壤等多孔介质内部的温度分布和热传输特性。
下面我们分步骤来详述这种模型的原理和应用。
一、多孔介质的物理现象
多孔介质是指由固相和空气、水等流体组成的介质，其物理性质和热传导特性与普通固体有所不同。
在多孔介质内，流体和固相之间的热传导存在着非平衡现象，即流体和固相的温度不相等。
二、Fluent多孔介质非平衡热模型的原理
Fluent多孔介质非平衡热模型通过建立多孔介质中流体和固相之间的能量差，来模拟多孔介质内部的非平衡热传导现象。
具体来说，该模型将多孔介质看作一个由不同孔隙大小和形状的小孔隙组成的连续介质，在计算时考虑每个小孔隙内的流体和固相的温度分布和热传输情况。
在Fluent多孔介质非平衡热模型中，流体和固相之间的能量传递被分解为两个部分：对流传热和固相-流体传热。
其中，对流传热主要是指流体在小孔隙内通过对流传播热量的过程，而固相-流体传热则是指流体与固相之间通过传导传热的过程。
三、Fluent多孔介质非平衡热模型的应用
Fluent多孔介质非平衡热模型在多孔介质热传输领域具有广泛应用。
如在岩石、土壤中的热传输现象研究中，该模型可用于模拟地下水热交换、地热能利用等方面的问题。
此外，该模型在生物医学领域中的应用也逐渐增多，如可用于模拟组织和器官内部的热代谢过程，进而帮助医学研究者预测疾病的发展趋势。
综上所述，Fluent多孔介质非平衡热模型是一种有效描述多孔介质内部非平衡热传导现象的数值模型，其应用对地下热交换、组织生物学等领域具有深远的意义。
fluent多孔介质资料搜集
1、多孔介质数值模拟
用fluent计算，多孔介质的数值模拟是怎么设置的？最好详细点，谢谢！
多孔介质模型比较复杂，建议用多孔阶跃模型，后者是前者的二维简化，设置简单，比前者更易用，计算也容易收敛。
只需要设置如下三个参数：
1、face pemeability（面渗透性）
2、Porous Medium Thickness(多孔介质的厚度）
3、Pressure-Jump Coecient（压力阶跃系数）
这三个参数，1、3可以根据压降与速度的函数关系式直接计算得出，比较简单，这里无法弄出公式，就不打了。
2、求教fluent中多孔介质使用的公式应该如何确定？
多孔介质里fluent做了大量简化主要设置孔隙率粘性系数和阻力系数孔隙率由材料提供商直接提供粘性系数和阻力系数可通过压力降与速度降的几组实验得出这在fluent 帮助文件里有说如果不用很精确或没有实验条件可由达西定律近似得出。
追问我看一些例子里有人说要运用udf自定义函数来确定公式，那请问是处理多孔介质问题是都需要运用udf自定义公式？
回答是的如果要精确模拟多孔介质内的情况一定要UDF 。
因为FLUENT中自带的设置模型过于简单所以如果你想得到精确解就一定要UDF 目前很多课题组专门做FLUENT 多孔介质编程方面的研究非常复杂如果你跟本人一样多孔介质只是模拟的一小部分建议还是简化处理不然会相当麻烦。
ANSYS Fluent多孔介质
ANSYS Fluent多孔介质模型简介
多孔介质是指内部含有众多空隙的固体材料，如土壤、煤炭、木材、过滤器、催化床等。
若采用详细的模型结构及网格划分处理，则会因为过多的网格数目而使计算量非常大，不能满足工程上的实际需求，而多孔介质模型实质上是将多孔介质区域结合了以经验假设为主的流动阻力，即动量源项。
图1、多孔介质模型的应用
ANSYS Fluent中可将所需区域设定为多孔介质模型（见图2），在cell zone conditions中勾选porous zone（通常认为在多孔介质模型内由于阻力原因，流动状况为层流，故而同时勾选laminar zone）。
在其界面中，可设置方向、粘性阻力系数、惯性阻力系数以及孔隙率等参数。
其中粘性阻力系数及惯性阻力系数可通过多种方式确定其具体数值，如试验法（风速及压降的曲线拟合）、Ergun方程法、经验方程法等等。
图2、ANSYS Fluent中多孔介质模型的设置界面通过一个简单的仿真案例进行描述：一个用于汽车尾气净化的催化剂装置，其中类似蜂窝结构的区域可认为是多孔区域模型（见图3）。
在ANSYS Fluent中设置求解器、材料、多孔区域、边界条件等，初始化后进行仿真计算（多孔介质问题的初始化应采用standard initialization，见图4）。
结构后处理中可得到结构内部的速度场、压力场结果（见图5）
图3、汽车尾气净化器流动仿真
图4、ANSYS Fluent初始化界面
图5、不同截面的速度场云图、压力场云图及压力曲线。
【2019年整理】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)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。
fluent多孔介质模型
多孔介质是由多相物质所占据的共同空间，也是多相物质共存 的一种组合体，没有固体骨架的那部分空间叫做孔隙，由液体或气 体或气液两相共同占有，相对于其中一相来说，其他相都弥散在其 中，并以固相为固体骨架，构成空隙空间的某些空洞相互连通。
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。
用Van Winkle方程计算带方孔的多孔板上压强的损失。方程的 提出者认为该方程适用于呈三角形分布的等距方孔板的湍流计算，具 体形式如下：
式中m为通过板的质量流量，fA为孔的总面积，pA板的总面积(固体 与孔的和)，D/ t孔直径与板厚之比,C是随雷诺数和D/t变化的系数，其 值可以通过查表获得。在t/D>1.6,且Re>4000时，C近似等于0.98，其中 雷诺数是用孔的直径做特征长，孔中流体的速度做特征速度求出的。
多孔介质模拟 方法是将流动区域 中固体结构的作用 看作是附加在流体 上的分布阻力。
动量方程 能量方程的处理 阻力系数的推导 操作步骤（实例）
后处理
2
计算流体力学控制方程
div u div grad S t
时间项
对流项 变数
扩散项 扩散系数 0
D 0 0 C 0 C11 C 13 v x 12 13 vx x 1 D 0 v v C 0 C C 0 23 y 22 22 23 v y y 21 2 C D33 C 0 C33 31 32 33 v z z vz 0
△Py, △Pz分别是x,y,z三个方向的压力降。△nx, 别是多孔介质在x,y,z三个方向的真实厚度。
FLUENT多孔介质条件
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：
Figure 1:多孔区域的流体面板
定义多孔区域
正如定义边界条件概述中所提到的，多孔区域是作为特定类型的流体区域来模 拟的。亚表明流体区域是多孔区域，请在流体面板中激活多孔区域选项。面板会自动扩展到 多孔介质输入状态。
定义穿越多孔介质的流体
在材料名字下拉菜单中选择适当的流体就可以定义通过多孔介质的流体了。如 果你模拟组分输运或者多相流， 流体面板中就不会出现材料名字下拉菜单了。 对于组分计算 ， 所有流体和/或多孔区域的混合材料就是你在组分模型面板中指定的材料。 对于多相流模型， 所有流体和/或多孔区域的混合材料就是你在多相流模型面板中指定的材料。
6. 7.
如果合适的话，限制多孔区域的湍流粘性。 如果相关的话，指定旋转轴和/或区域运动。
在定义粘性和内部阻力系数中描述了决定阻力系数和/或渗透性的方法。如果你使用多孔动 量源项的幂律近似，你需要输入多孔介质动量方程5中的 C_0和 C_1来取代阻力系数和流动 方向。 在流体面板中（下图）你需要设定多孔介质的所有参数，该面板是从边界条件菜单中打开的 （详细内容请参阅边界条件的设定一节）
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 vj 为三个方向上的分速度，D n_x、D n_y、以及 D n_z 为三个方向上的介质厚度。 在这里介质厚度其实就是模型区域内的多孔区域的厚度。 因此如果模型的厚度和实际厚 度不同，你必须调节1/a_ij 的输入。.
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。
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 forPorous 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 transfer2)Wang Fu–Qiang*，Shuai Yong*，Tan He–Ping，Zhang Xiao-Feng，MaoQian-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 Carlo3)Wang Fu–Qiang*，Shuai Yong*，Tan He–Ping，Yu Chun–Liang，ThermalPerformance 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一、说明1、模型此例基于稳态、层流、对称模型。
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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 Equation7.19-1, or inEquation 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－volumeratio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。