多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟
微尺度多孔介质流体力学模型及数值模拟
微尺度多孔介质流体力学模型及数值模拟近年来，微尺度多孔介质流体力学研究得到了广泛关注，其在石油开采、地下水资源管理、生物医药领域以及环境工程方面具有重要的应用价值。
为了深入理解多孔介质中流体的行为规律，研究人员逐渐发展出了多孔介质流体力学模型，通过数值模拟方法对其进行研究。
多孔介质是由许多孔隙和固体颗粒组成的介质，其内部孔隙结构复杂，以点状、线状和面状形式存在。
流体在多孔介质中的运动行为具有许多特殊性质，如渗流、传质、浸润等。
微尺度多孔介质流体力学模型的建立旨在揭示流体在微观尺度上的运动规律，为多孔介质中的流体行为提供合理的描述和解释。
在微尺度多孔介质流体力学模型的建立中，孔隙网络结构、流体的渗流特性以及固体颗粒的形态都是必须考虑的因素。
许多研究者使用连续介质力学的方法，将多孔介质看作是连续的均质介质，并采用达西定律和达西-布兰科方程来描述流体在孔隙中的渗流行为。
此外，还有一些研究者使用离散介质力学的方法，将多孔介质看作是由离散的颗粒组成的，通过分子动力学模拟等方法研究其流体力学行为。
数值模拟方法在微尺度多孔介质流体力学研究中具有重要的作用。
通过数值模拟可以模拟多孔介质中流体运动的各种细节，如流速分布、压力梯度、渗透率等，有助于进一步了解多孔介质中流体的行为规律。
目前常用的微尺度多孔介质流体力学数值模拟方法主要包括有限元法、格子Boltzmann方法、格子气体自动机方法等。
这些方法能够模拟多孔介质中的非线性流动、多相流动以及多组分传质等复杂现象。
微尺度多孔介质流体力学模型及数值模拟对于多领域的应用具有重要意义。
在石油开采中，通过建立合理的流体力学模型和数值模拟方法，可以预测油田中的渗流路径，优化生产方案，提高采收率。
在地下水资源管理中，能够通过模拟地下水流动规律，分析地下水的开发和利用方式，保护地下水资源。
在生物医药领域中，研究微尺度多孔介质中生物流体的行为规律，有助于设计和优化生物材料、药物传输系统以及人工组织工程。
多孔介质方腔内自然对流影响因素数值模拟
多孔介质方腔内自然对流影响因素数值模拟引言多孔介质方腔内自然对流是一个复杂的物理现象，对于理解和优化多孔介质中的传热传质过程具有重要意义。
本文将通过数值模拟的方法，探讨多孔介质方腔内自然对流的影响因素。
二级标题1三级标题1.1在多孔介质方腔内，自然对流的影响因素之一是温度差异。
温度差异可以通过控制加热或冷却边界条件来实现。
数值模拟可以用来研究不同温度差异对自然对流的影响。
三级标题1.2另一个影响自然对流的因素是多孔介质的渗透率。
渗透率是描述多孔介质中流体流动能力的参数。
通过调整多孔介质的渗透率，可以改变自然对流的强度和方向。
数值模拟可以用来研究不同渗透率对自然对流的影响。
三级标题1.3多孔介质的孔隙结构也会对自然对流产生影响。
孔隙结构可以通过调整多孔介质的孔隙率、孔隙形状和孔隙分布来改变。
数值模拟可以用来研究不同孔隙结构对自然对流的影响。
三级标题1.4流体的物性参数也会对自然对流产生影响。
例如，流体的黏度和密度会影响流体的运动和热传递。
通过改变流体的物性参数，可以调整自然对流的特性。
数值模拟可以用来研究不同流体物性参数对自然对流的影响。
二级标题2三级标题2.1数值模拟方法的选择对于研究多孔介质方腔内自然对流也非常重要。
常用的数值模拟方法包括有限元法、有限差分法和边界元法等。
选择合适的数值模拟方法可以提高模拟结果的准确性和计算效率。
三级标题2.2在进行数值模拟之前，需要建立合适的数学模型。
数学模型应该包括流体流动和热传递的基本方程，以及多孔介质的物理特性参数。
通过合理的模型假设和适当的边界条件，可以准确描述多孔介质方腔内自然对流的行为。
三级标题2.3数值模拟的结果需要进行验证和验证。
验证是指将数值模拟结果与已知的实验数据进行比较，以验证数值模拟的准确性。
验证结果与实验数据吻合良好的模拟可以被认为是可靠的。
验证之后，还可以进行灵敏度分析，以研究不同影响因素对自然对流的影响程度。
三级标题2.4数值模拟的结果可以通过可视化的方法进行展示。
多孔介质流动的直接数值模拟
和压 降． 拟 时 对 填 充 的 圆 柱 粒 子 采 用 了 ２种 几 何 排 列 方 式 ， 模 即直 排 和 叉 排 ． Ｓ直排 模 型 的 压 差 ＤＮ 为 ５． ａ接 近 于采 用 原 始 系 数 Ａ一 １０ Ｂ一１ ７ ３ ５Ｐ ， ５， ． ５的尔 格 方 程 计 算 结 果 ５． ａ 叉 排 模 型 的压 ５ ６Ｐ ． 差 为 ６ ． ａ接 近 于 采用 修 正 系数 Ａ＝ １０ ５ １Ｐ ， ８ ，Ｂ一１ ８ ． Ｏ的 尔 格 方 程 计 算 结 果 ６ ． ａ 对 于 真 实 多 ２ １Ｐ ． 孔介 质材 料 的模 拟 来 说 ， 柱 形 粒 子 叉 排 比直 排 更 为 准 确 ． 圆 因此 ＤＮ Ｓ结 果 确 认 了修 正 系 数 组 （ Ａ一 １０ Ｂ一 １８ ） ８， ． Ｏ 比原 始 系 数 组 （ １０ Ｂ一 １ ７ ） 适 合 尔 格 方 程 模 型 ． 用 文 中推 荐 的 Ｄ Ａ一 ５ ， ． ５更 应 ＮＳ方
（ 武汉 理工 大学 汽 车 工程 学 院” 材 料 复 合 新 技 术 国家 重 点 实 验 室
（ 河 城 魁 北 克 大 学 氢 能 研 究 所 加 拿 大 魁 北 克 三
Ｇｇ Ｈ７ Ａ５ ）
摘 要 ： 于 计 算 流 体 动 力 学 软 件 Ｆｕ ｎ 建 立 了 一 个 二 维 Ｄ 基 ｌｅｔ ＮＳ模 型 ， 究 了多 孔 介 质 中 的 流 动 阻力 研
１ 达 西定 律 与 尔格 方 程
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多孔介质流动与传热特性的数值模拟与优化
多孔介质流动与传热特性的数值模拟与优化多孔介质是一种具有复杂结构和多尺度特性的材料，广泛应用于工程领域中的流体力学与传热过程。
对多孔介质的流动与传热特性进行准确的数值模拟和优化，对于提高工程设备的效率和性能具有重要意义。
一、多孔介质流动与传热的数值模拟方法多孔介质的数值模拟方法主要包括连续介质模型和离散介质模型。
连续介质模型基于宏观平均方程，将多孔介质看作均匀、各向同性的连续介质，通过求解宏观平均方程，得到多孔介质的宏观流动和传热特性。
离散介质模型则采用微观尺度的方法，将多孔介质看作由许多微观单元组成的离散介质，通过求解微观单元的运动方程，得到多孔介质的微观流动和传热特性。
1.1 连续介质模型连续介质模型是最常用的多孔介质数值模拟方法之一。
在连续介质模型中，多孔介质的宏观流动和传热特性通过求解质量守恒、动量守恒和能量守恒方程得到。
对于流体流动，常用的连续介质模型包括达西-布里兹模型和林布尔格-奥斯特罗姆模型等。
对于传热过程，连续介质模型可以采用经验规则，如埃尔福特数、修正努塞尔数等，进行数值模拟。
1.2 离散介质模型离散介质模型是一种基于微观尺度的多孔介质数值模拟方法。
在离散介质模型中，多孔介质的微观流动和传热特性通过求解微观单元的运动方程得到。
常用的离散介质模型包括网格模型、直接模拟孔隙度、分子动力学模型等。
离散介质模型通常具有更高的计算精度和更丰富的物理细节，但计算复杂度也更高。
二、多孔介质流动与传热特性的数值模拟优化方法多孔介质的数值模拟优化方法主要包括网格优化和参数优化两个方面。
网格优化通过调整计算网格的精细程度和结构，提高数值模拟的计算精度和效率。
参数优化通过调整模型中的各种参数，提高数值模拟的准确性和可靠性。
2.1 网格优化网格优化是提高多孔介质数值模拟精度和效率的重要手段。
传统的网格优化方法包括均匀网格划分、自适应网格划分和多重网格方法等。
近年来，基于人工智能和机器学习的网格优化方法也得到了广泛应用。
论多孔介质中流体流动问题的数值模拟方法
论多孔介质中流体流动问题的数值模拟方法
多孔介质中流体流动问题的数值模拟方法主要有随机网格法、格式积分法、有限体积法和有限元法等。
（1）随机网格法：随机网格法是一种简单的数值模拟方法，
它将多孔介质中的复杂场景抽象成一系列简单的网格单元，并通过网格单元之间的接口，模拟流体在多孔介质中的流动。
（2）格式积分法：格式积分法是一种基于控制面的数值模拟
方法，它通过对多孔介质中的控制面进行积分，可以计算出流体在多孔介质中的流动。
（3）有限体积法：有限体积法是一种基于有限元的数值模拟
方法，它将多孔介质中的复杂场景抽象成一系列有限体积元，通过有限体积元之间的接口，模拟流体在多孔介质中的流动。
（4）有限元法：有限元法是一种基于有限元的数值模拟方法，它将多孔介质中的复杂场景抽象成一系列有限元，通过有限元之间的接口，模拟流体在多孔介质中的流动。
分形多孔介质内导热与流动数值模拟研究
分形多孔介质内导热与流动数值模拟研究一、本文概述随着科学技术的进步，多孔介质在诸多工程领域，如石油化工、能源开发、环保科技以及生物医学等中的应用日益广泛。
多孔介质内导热与流动的研究对于理解这些应用中的热传递和流体动力学行为至关重要。
特别是，分形多孔介质由于其独特的结构和性质，近年来受到了广泛的关注。
分形多孔介质在结构上具有自相似性和空间尺度的不变性，这使得其导热和流动特性与传统多孔介质存在显著不同。
因此，对分形多孔介质内导热与流动的数值模拟研究具有重要的理论价值和应用前景。
本文旨在通过数值模拟的方法，深入研究分形多孔介质内的导热与流动特性。
我们将首先构建分形多孔介质的数学模型，并选择合适的数值方法进行求解。
在此基础上，我们将对分形多孔介质内的导热过程进行详细分析，探究其热传递机制和影响因素。
我们还将对分形多孔介质内的流动行为进行研究，包括流体在多孔介质中的分布、速度和压力等关键参数的变化规律。
通过本文的研究，我们期望能够更深入地理解分形多孔介质内导热与流动的机理，为相关领域的工程应用提供理论支持和技术指导。
我们也希望本研究能够为多孔介质导热与流动数值模拟方法的进一步发展做出贡献。
二、分形多孔介质的数学模型在探讨分形多孔介质内的导热与流动问题时，建立合适的数学模型是至关重要的一步。
分形多孔介质由于其独特的几何结构和复杂的物理特性，使得传统的连续介质模型无法准确描述其内部现象。
因此，我们需要引入分形理论来构建更为精确的数学模型。
分形多孔介质的数学模型主要基于分形几何学和热力学原理。
我们利用分形几何学来描述多孔介质的微观结构。
分形维数作为衡量多孔介质复杂程度的关键参数，能够反映孔隙的大小、形状和分布情况。
通过分形维数，我们可以建立多孔介质的几何模型，从而更准确地描述其内部流体的流动和传热过程。
在热力学方面，我们考虑到多孔介质内部的热量传递和流动过程。
通过引入适当的热传导方程和流动方程，我们可以描述热量在多孔介质中的传递以及流体在孔隙中的流动情况。
多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟
多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟随着现代科技的发展，很多物理现象的研究也随之得到了提高，尤其是在微观尺度下，物质的输运现象引起了许多研究人员的重视，微孔介质中流动的输运现象尤为复杂，经常应用在化工、生物医学等领域。
在这样的情况下，微尺度流动的数值模拟成为了不可或缺的一个部分。
本文将介绍关于多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟的相关内容。
首先，多孔介质是指由许多毫米尺度以上的孔隙和孔道组成的，由于其空隙较小、分布复杂，因此流体在其中的流动现象通常难以直接观测和研究，而直接观测的难度也使得微尺度流动的数值模拟变得更加重要。
在多孔介质中，流体通过孔隙间的相互作用和表面反应会发生诸如吸附、分子扩散等的现象。
其次，微尺度流动主要包括两个方面：微通道内的流动和微孔介质内的渗流。
微通道主要指由微米级别的通道组成的关节，在其中，流体的流动伴随着比较强的摩擦和离子、固相颗粒等的各种反应。
微孔介质内的渗流是指在多孔介质内，流体由于孔隙间的空间限制，流速变化较大，同时还有孔隙间相互作用和表面反应等现象。
最后，数值模拟是研究多孔介质壁面条件下微尺度流动现象的一种有效方式。
数值模拟可以通过数学模型，模拟出流体在多孔介质内的流动、渗流现象，在对比实验结果时可以对分析其对应关系，找到合适的模型参数，优化模型模拟效果，来实现对微尺度流动现象的研究。
通过数值模拟，还能够预测多孔介质的渗透性、孔径以及成分和性质的分布情况等，并为改进相关的技术和方法提供理论参考。
总的来说，多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟，对于理解和研究微尺度流动现象，将起到至关重要的作用。
在未来的研究中，人们还将更加深入地理解多孔介质内的流动、渗流现象，优化数值模拟算法，逐渐建立微尺度流动机理的理论体系，并将其应用于更广泛的领域。
多孔介质中湍流流动的数值模拟
多孔介质中湍流流动的数值模拟大连理工大学硕士学位论文多孔介质中湍流流动的数值模拟姓名：马坤申请学位级别：硕士专业：工程热物理指导教师：解茂昭2020 0601大连理工大学硕士学位论文摘要本文以多孔介质燃烧技术为研究背景，通过数值模拟研究了各种条件下多孔介质内湍流流动特性，主要目的是更系统深入地理解多孔介质内湍流流动的特点及规律，并进一步推动该领域的理论研究及其实际应用。
迄今，多孔介质中湍流的研究，主要有微观模型和宏观模型两种途径。
多孔介质内微观湍流模型是直接将自由流体湍流模型应用于多孔介质内部小尺度孔隙和通道内的流动。
而宏观湍流模型是在宏观尺度上对微观湍流模型取体积平均的结果。
本文采用将微观模型与到宏观模型相结合的方法，首先使用标准ｋ一占湍流模型对简化了的多孔介质的二维模型内的微观流场进行数值模拟；在此基础上，借助两种宏观模型，Ｎ．Ｋ湍流模型和Ｐ．ｄＬ湍流模型同时利用体积平均方法将微观流场计算结果转换为宏观流场的信息，以确定宏观湍流模型中经验系数Ｑ的值以及宏观湍流模型ｋ和占的初始值。
本文的计算以通用ＣＦＤ软件Ｆｌｕｅｎｔ６．２为平台，添加Ｎ．Ｋ湍流模型和Ｐ．ｄＬ湍流模型的自定义函数，对宏观流场进行模拟计算，并对比分析了Ｎ．Ｋ湍流模型和Ｐ—ｄＬ湍流模型。
计算结果表明：微观流场内多孔介质固体骨架物块的形状对多孔介质内湍流流场影响十分显著，正方形的湍动能最大，其次为长方形，圆形，椭圆形；入口雷诺数不变时，随着孔隙率的增大，湍动能水平也随之降低；孔隙率不变时，随着入口雷诺数的增大，湍动能水平也随之增大。
宏观流场内在进口处Ｎ．Ｋ湍流模型和Ｐ．ｄＬ湍流模型的湍动能均迅速下降，并且Ｎ．Ｋ湍流模型对湍流流动的抑制作用小于Ｐ—ｄＬ模型，湍动能稳定后趋于一致。
关键词：多孔介质湍流数值模拟宏观模型微观模型多孔介质中湍流流动的一种数值模型ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＴｕｒｂｕｌｅｎｔＦｌｏｗｓｉｎＰｏｒｏｕｓＭｅｄｉａＡｂｓｔｒａｃｔＴｏｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａ（ＰＭ）ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ，ｔｕｒｂｕｌｅｎｔｆｌｏｗｂｅｈａｖｉｏｒｉｎｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａｕｎｄｅｒｖａｒｉｏｕｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｌｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．１１１ｅｍａｉｎｏｂｊｅｃｔｉｖｅｉｓｔｏｇａｉｎｓｏｍｅｉｎｓｉｇｈｔｓｉｎｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｕｒｂｕｌｅｎｔｆｌｏｗｉｎｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａ，ａｎｄｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅｔｏｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｉｓｆｉｅｌｄ．Ｔｏｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｌｙｔｒｅａｔｔｕｒｂｕｌｅｎｔｆｌｏｗｓｔｈｒｏｕｇｈｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａ，ｍｏｓｔｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｆｏｌｌｏｗａｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃａｌａｐｐｒｏａｃｈｆｏｒｌｏｗＲｅｎｕｍｂｅｒｆｌｏｗｓｉｎｔｈｅＰＭ，ｉｎｗｈｉｃｈｇｏｖｅｒｎｉｎｇｅｑｕａｔｉｏｎｓａｌｅｏｂｔａｉｎｅｄｂｙａｖｏｌｕｍｅ—ａｖｅｒａｇｉｎｇｏｖｅｒａｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｅｌｅｍｅｎｔａｒｙｖｏｌｕｍｅ（Ｐ．ＺＶ）．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃａｌｍｏｄｅｌｓｌｏｓｅｄｅｔａｉｌｓｏｎｔｈｅｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｉｎｓｉｄｅｔｈｅＲＥＶ．Ａｓａａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ，ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃａｐｐｒｏａｃｈｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｉｎｗｈｉｃｈｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌｓｆｏｒｃｌｅａｒｆｌｕｉｄｓａｌｅａｐｐｌｉｅｄｄｉｒｅｃｔｌｙｔｏｔｈｅｆｌｏｗｗｉｔｈｉｎｐｏｒｅｓｏｆａＰＭ．Ａｍｉｃｒｏ－ｍａｃｒｏｃｏｕｐｌｅｄａｐｐｒｏａｃｈｉｓｅｍｐｌｏｙｅｄｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ．．Ｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｐｏｒｏｕｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ｗｅｔａｋｅｔｈｅＰＭａＳａｎａＳｓｅｍｂｌｙｏｆａｇｒｅａｔｎｕｍｂｅｒｏｆｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｓｏｌｉｄｕｎｉｔｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｚｅｓａｎｄｆｏｒｍｓ；ｗｈｉｃｈｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｏａｃｅｒｔａｉｎｅｘｔｅｎｔｔｈｅｐｏｒｏｕｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｌａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｅＰＭ。
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面附近建立适当的多孔介质层．多孔介质可以利用
式（２）中的Ｓｉ模拟直微管壁面附近的流动（其流动
状态不同于主流），实现微尺度化流动的模拟．
三
三
１
ｓｚ＝∑Ｄ渺叶＋∑Ｃｇ专－ｐ Ｉ吩ｌ吩， （３）
，＝Ｉ
ｊ＝Ｉ
－
式中Ｄ和Ｃ分别为多孔介质的粘性阻力系数和惯性
阻力系数，利用式（３）由多孔介质区域内的流态及
阻力可设定其值．
习排灌机械工程学报
！鼍第Ｖ０１２．８２８卷第Ｎ３ｏ．期３墓薯黪溆榔燃
鞠＿嘲一Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｄｒａｉｎａｇｅ ａｎｄ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＿——＿———＿＿＿＿＿——＿＿—＿———霸——＿＿—＿＿——＿—一
多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟
金文１”，张鸿雁１，何文博３
力计算；配合采用序一占和ｋ一甜多种形式的湍流模型，对边长为６００“ｍ的方形断面微通道流场
在雷诺数分别为１００和３００的情况下进行了数值模拟计算．通过模拟结果与Ｍｉｃｒｏ—ＰＩＶ测量数
据的对比分析发现，采用ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ后一８湍流模型，搭配多孔介质微尺度化模型进行数值计算，能
够有效地模拟微尺度流场的流动状况，而标准ｋ一占湍流模型和ＲＮＧ ｋ一占湍流模型的微尺度模
动．壁面函数法在一定范围内有效，若按照常规
ＣＦＤ的理论和方法对微通道边界层进行处理，显然
会影响计算精度．针对微通道壁面粗糙及边界层厚
的特点，对微通道壁面附近的流场建立一个微尺度
化处理模型，即将微通道壁面粗糙元抽象为多孔介
质，通过合理设定多孔介质模型的参数来模拟计算
粗糙壁面的近壁区低雷诺数流动．
基于多孔介质的微尺度模型首先应在微通道壁
张鸿雁（１９６０～），女，陕西西安人，教授（ｚｈａｎｇｈｏｎｇｙａｎ＠ｘａｕａｔ．ｅｄｕ．ｃｎ），主要从事流体力学研究．
万方数据
ａ｜２７２；巴＝＝＝三蕊譬翟露互＝＝＝＝瑟瑟三
Ｉ—Ｉ—一 ～一 …ＩＩ
—
ＩＨ
Ｉ—●—■———■—■—■■■——■——————■——■ｌ
在微流体流动研究中，随着流动尺度的不断减 小，壁面相对粗糙度增加，壁面因素对整个流动的影 响愈发重要，使得微尺度领域的许多物理现象与宏 观世界有很大差别，微尺度流动特征激发了人们的 研究兴趣．Ｍａｌａ Ｇ Ｍ等人…研究发现微尺度流动在 机理上迥异于常规尺度流动；Ｓａｌｖａｄｏｒ等人Ｂ１采用 层流模型，利用Ｆｌｕｅｎｔ进行水力特性分析，认为数值 分析可以精确地模拟微通道压力变化值；而李永欣 等人口３采用湍流模型，对复杂结构微流道内部的压 力、流速分布进行了模拟，并与微通道放大模型的试 验结果进行对比，提出了不同见解；王福军等人Ｈ１ 采用标准ｋ一占湍流模型，对微通道进行了常规数值 模拟，并与实测值进行了对比，发现计算结果与实测 结果存在较大误差，而误差的原因主要是流道微小 且结构复杂，常规ＣＦＤ模型不能有效反映微尺度特 性；王新坤等人∞ｏ对单翼迷宫式滴灌灌水器进口结 构特性和水力性能进行了模拟分析，通过结构优化 提高了灌水器的抗堵塞能力．
ｗｈｉｌｅ ｓｔａｎｄａｒｄ Ｊ｜｝一占ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ＲＮＧ ｋ—ｓ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ｇａｖｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｏｎｅｓ ｗｉｔｈ ｓｏｍｅｈｏｗ ｄｅｖｉａｔｉｏｎｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ．ｓｔａｎｄａｒｄ Ｊ｜｝一∞ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ＳＳＴ ｋ一∞ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ ｍｕｃｈ ｐｏｏｒ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｓｕｃｈ ｍｉｃｒｏ．ｓｃａｌｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏ－ｃｈａｎｎｅｌ；ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ；ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉｕｍ；ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
万方数据
力，啄＝一碱＋ｐ。（警＋警）；＆为克罗内克尔符
、ｏｘｊ
０ｚｉ ７
号；ｐ为流体压力；儿为有效粘性系数；．ｓｉ为附加动
量源项．
１．２微尺度模型
相对于宏尺度通道，微通道壁面粗糙元在流道
断面方向上所占比例很大，它将造成微流道内流边
界层厚度不同于宏尺度通道．而当前的ＣＦＤ计算，
都是采用壁面函数法处理近壁面区的低雷诺数流
微通道几何模型由Ｇａｍｂｉｔ软件建立，选用３Ｄ 模型，使用六面体网格单元进行网格划分．网格模型 包括壁面、多孔介质和主流等３个部分．对多孔介质 区域加密网格数，主流区域的网格密度由壁面向中 心逐步变疏．网格总数约８００ ０００，网格结构见图１．
图１ 基于多孔介质方案下的微通道网格划分 Ｆｉｇ．１ Ｍｉｃｒｏ—Ｃｈａｎｎｅｌ加ｄ ｆｏｒ ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉｕｍ
本研究在自建的微尺度模型条件下，拟采用３ 种ｋ一８湍流模型和２种ｋ一山湍流模型分别进行模 拟计算，对比选择具有最佳模拟效果的湍流模型． １．４几何模型
研究的微通道几何模型为方形断面的直微通 道，断面边长为６００ ｐＬｍ．在前期的试验研究中，利用 Ｍｉｃｒｏ—ＰＩＶ已测量得到微通道内流流场的试验值； 为了采用试验值验证数值模拟的可靠性，设计数值
ｌ黪嬲榔
。繇毵，，觞纛灏缀籀ｉ＃辫瓤ｊ，；。痧馥穆、畹钙。灏簿鳓鳜蝴黪鳜灏襁獭黝渤瘸蠛凝二鞴辫霸黪躲魏骥煽鬻鬻黪霸戮鳜缫蠢麴蕊：黪溉簿酝，啼，，峨，蟛。毋么｜２ ７３ ｌ ｋ鸳绷确
的表现．标准ｋ—ｔＯ模型是为考虑低雷诺数、可压缩 性和剪切流传播而修改的，因而在近壁自由流计算 中有良好的精度．ＳＳＴ ｋ—ｔＯ模型在标准ｋ一∞模型 的基础上增加了一个混合功能，专门用于近壁区域 流场计算，在一些特定流场应用中得到了更高的精 度．
收稿日期：２０１０—０２一０１ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（１０９７２１７６）；新疆维吾尔自治区科技攻关重点项目（２００８３３１２１）；国家“十五”科技攻关项目
（２００４ＢＡ９０１ Ａ２１—４） 作者简介：金文（１９６７～），女，吉林扶余人，教授，博士研究（ｊｉｎｗｅｎ３８５＠１６３．ｔｏｍ），主要从事微尺度流体动力学研究．
在近壁区域模拟计算中有更高的可信度和精度．
ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ ｋ一占模型具有两个优势：①为湍流粘性增
加了一个公式；②为耗散率增加了新的传输方程，使
之在强流线弯曲、漩涡和旋转等流动模拟中有更好
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ｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｌｌ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’锄，Ｓｈａａｎｘｉ ７１００４９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｏｖｅｌ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｍｉｃｒｏ．ｓｃａｌｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｍａｉｎｌｙ ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉｕｍ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｗａｌｌ ｒｏｕｇｈｈｅｓｓ ｅｌｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉａ Ｗａｇ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｗａｌｌ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ．ａｎｄ ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｗａｇ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｆｌｏｗ ｓｔａｔｅ ａｓ ｗｅｌｌ鹊 ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉａ．Ｕｎｄｅｒ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ １００ ａｎｄ ３００ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ｖａｒｉｏｕｓ ｍｏｄｅｌｓ ｗｅｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｓｑｕａｒｅ—ｓｅｃｔｉｏｎ ｍｉｃｒｏ—ｃｈａｎｎｅｌ ｗｉｔｈ ｓｉｄｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ６００ Ｉｘｍ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｏｓｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏ—ＰＩＶ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ．ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ ｋ一８ ｔｕｒｂｕ． １ｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉｕｍ ｍｏｄｅｌ ＷａＳ ｍｏｓｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏ．ｃｈａｎｎｅｌ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．
１．３湍流模型
微通道中的壁面粗糙度是影响层流流动阻力的
一个重要因素，对内流的流动稳定性将产生重要影
响，导致转捩提前¨１｜．本研究中，微通道内流流动状
态已为湍流．Ｆｌｕｅｎｔ计算软件提供了多种形式的湍
流模型，但没有一种湍流模型对于所有的问题是通
用的．因此对于湍流模拟，不同的数值模拟方案会有
相应的最佳匹配湍流模型．
计算的微通道几何结构与试验试件结构完全一致． 由于微通道壁面附近设置了多子Ｌ介质层，而多
孔介质是用来模拟微通道壁面粗糙元的，其厚度的 设定与管壁粗糙度直接相关，大量计算证明，多孔介 质层厚度近似等于粗糙元平均高度．本研究中，微通 道试件壁面相对粗糙度约为０．１５，以此在数值模拟 中设定多孔介质厚度为０．１５Ｄ（Ｄ为微通道断面边 长）．这一结论在本课题边长为４００，６００和８００斗ｍ 的３种微通道模拟计算中均得到验证．
（１．西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安７１００５５；２．西安航空技术高等专科学校动力工程系，陕西西安 ７１００７７；３．匿安交通大学能源与动力工程学院。陕西西安７１００４９）