流体力学与传热学数值计算基础

流体力学与传热学数值计算基础

氮气流经多孔介质的模拟

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氮气流经多孔介质的模拟

摘要：本文主要论述如何进行建立和解决气体流过多孔介质的这一问题。运用ANSYS FLUENT建立氮气流经催化转化器几何的流量模型，对流场结构进行分析。通过设置一个具有适当电阻的基板的多孔区域，利用基于压力法的求解器计算流经催化器的气体，并在指定的几何平面上绘制出压力图形和速度分布图形，通过基板和在截面几何穿过的非均匀流动的程度用X-Y坐标图和数值报告表示来确定压力降。

关键字:多孔介质；催化转换器；FLUENT；压力降

前言：在许多工业应用中，如过滤器，催化剂床和包装，都涉及通过多孔介质模型的建模。这里解决的工业问题涉及通过催化转换器的气体流动，催化转换器通常用于净化从汽油和柴油发动机排放的废气，并达到环境标准可接受的气体物质。这些排放物包括一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx），和未燃烧的碳氢燃料。这些废气排放是通过一个基板，这是一个采用铂或钯涂层的陶瓷结构的金属催化剂。废气流的性质是决定催化器性能的重要因素，特别重要的是通过基板的压力梯度和速度分布。因此，通过计算流体力学分析来设计高效的催化转换器。通过模拟的废气流，可以确定压力降和通过基板的均匀性，所以这对工业应用也有一定的促进作用。

1.问题描述

这里模拟的催化转换器几何图，如图（1）所示，氮气以22.6m/s的速度均匀的流过入口，通过采用整体陶瓷基板的方形通道，然后通过出口流出。虽然在入口和出口部分的流动是湍流，但是通过基板的流动是层流，惯性特征和粘性损失系数沿入口轴线。在基板的其他方向上是不透水的。这种特性是仿照使用损失系数，而损失系数是三个数量级高于主流方向。

图（1）

2.设置和解决方案

2.1常规设置

检查网格，ANSYS FLUENT将网格进行各种检查和报告控制台中的进展。确保所报的

最小体积是正整数。在网格创建中选择毫米，在视图长度单位中也选择毫米，所有尺寸都将显示毫米。再对网格进行检查，旋转视图和缩放，可得出在几何上的十六进制网格包含34580个单元格。保留默认的求解器设置。

2.2模型设置

根据问题的描述，氮气在催化转化器的流动为湍流，因此对粘性进行编辑选择“k-epsilon(2eqn)”,并保留默认设置和近壁处理。

2.3材料选择

首先对材料里的空气选项进行编辑，然后打开Fluent数据库，在其材料库中选择氮气，将其复制到流体材料列表中，再进行创建和更改，操作完这些后，材料选取工作就完成了。

2.4网格区域条件

对流体进行编辑，从材料名称下拉列表中选择氮气，紧接着对基板编辑，同样也是从材料名称下拉列表中选择氮气，启用多孔层来激活多孔区模型，启用层流区来解决无湍流的多孔层的流动。再对多孔区域编辑，确保主方向向量如表（1）所示：

轴矢量方向1 矢量方向2

X 1 0

Y 0 1

Z 0 0

表（1）

输入粘性和惯性阻力的值如表（2）所示：

方向粘滞阻力（1/m2）惯性阻力（1/m）

方向1 3.846e + 07 20.414

方向2 3.846e + 10 20414

方向3 3.846e + 10 20414

表（2）

方向2和方向3设置为任意大的数，这些值是比方向1的流量大几个数量级，这将使任何径向流变得不重要。

2.5边界条件

在入口边界条件中选择入口进行编辑，入口速度为22.6m/s，湍流强度为10%，水力直径为42mm,然后设置出口的边界条件，压力表保存默认设置0，保留默认值为5%的回流紊流强度，回流水力直径为42mm,保留基板墙和墙的默认边界条件。

2.6解决方案

从方案下拉列表中选择耦合，选择空间离散化分组中的梯度最小二乘法，保留从动量下拉列表中的二阶迎风的默认选择，启用伪暂态，保留监视器残差的默认设置。创建

一个表面监视器，启用绘图和写入，从报表类型中选择“质量流量表”，在面中选择出口，即可完成对绘制出口的质量流量的设置。从初始化方法组框中选择标准初始化，进行初始化输入表压力为 1.455192e-11m/s,X轴速度为22.6m/s,Y轴速度为-1.340561e-15m/s,Z轴速度为-1.324296e-32m/s,湍流动能为7.6614（m2/s3）,湍流耗散率为1185.214（m2/s3），再进行初始化，选择迭代次数为100次，运行计算，结果将自动保存。结果如图（2）所示：在进行65迭代后，质量流率收敛于-0.0323kg/s。

图（2）

3后处理

3.1绘制Y=0平面上的速度矢量

从面中选择等值面，在表面常数中选择网格和纵坐标，计算最大值和最小值并保留值为0的默认值，给新的表面命名为Y=0，然后进行创建。再重新选择横坐标，进行计算，国际标准化值为95，新的表面命名为X=95，进行创建。同理创建X=130和X=165的表面，国际标准化值分别为130和165，这样所有表面已创建完成。在面中选择线/

并给新的表面命名为“porous-cl”，进行创建。接着对图形和动画中的网格进行设置，禁用边缘并启用面命令，在表面的选择列表中取消进口和出口，并确保只有基墙和墙的选择，进行显示。同样是在图形和动画中对选项编辑，禁用双缓冲的渲染组框，在照明属性组框中启用灯，选择照明设备，并应用。再对场景进行设置，在“名称”选择列表中选择基墙和墙，进行显示，在几何属性组中打开显示属性，确保红色、绿色、和蓝色的滑块设置到最大位置（即255），设置透明度滑块到70。对矢量进行编辑，在选项组中启用绘制网格，来打开网格显示，确保表面选项中基板墙和墙被选中比例为5

跳跃为1，在面中选中Y=0，进行显示，则可到如图（3）所示的结果：

图（3）

从图中可以看出，流动模式示显示的流体进入催化转换器作为一个喷射，伴随着在喷射的任一侧的再循环，当流体通过多孔基材，速度降低同时流动路径变直，并表现出更均匀的速度分布，这使得在基板中的金属催化剂催化更为有效。

3.2绘制Y=0平面上的静态压力等值线

对等值线进行设置，启用填充，激活绘制网格来打开网格显示，确保在表面中基板墙和墙仍被选中，选择静态压力，在面中选择Y=0,进行显示便可得到图（4）：

图（4）

根据图形可得出在中间部分的压力变化迅速，并且中间部分的流体速度的变化是缘于流体通过多孔基板，由于多孔介质的惯性和粘性阻力，压力降可能很高，确定这个压降是计算流体力学分析的目标之一。