如何使用 COMSOL® 计算流动模型中的停留时间

在设计和建模化学反应器等设备时，停留时间是表征系统的其中一个量。这个量的计算与流场的计算是分开的，我们可以使用 COMSOL 软件中的粒子追踪模块来完成。今天这篇博客，我们将详细介绍如何计算流动模型中的停留时间。

计算停留时间和其他因素

假设我们正在模拟一个类似于生物传感器的小型流通池。我们从流体动力学分析开始，计算一组障碍物周围的水流。在这种情况下，我们可以将问题简化为二维计算模型，如下图所示。

反应堆中障碍物周围的水流图像。

一旦计算出流场，我们还就可以绘制和计算以下内容：

• 停留时间分布函数
• 累积分布函数
• 平均停留时间
• 方差

要求解这些量，最方便的是使用拉格朗日公式来跟踪随流体移动的计算粒子，而不是使用用于求解流场的欧拉公式。出于这个原因，以及可用于方便地评估粒子追踪结果的内置功能，我们将使用粒子追踪模块的功能来解决这个问题。

使用 COMSO^L®软件中的粒子追踪功能

COMSOL 学习中心有一篇关于沿流线积分和提取粒子统计数据的文章介绍了如何使用粒子追踪模块来追踪流场的流线并沿这些流线进行积分。除了这些方法之外，还有其他技术可以记录流中的粒子，如之前的博客文章“COMSOL Multiphysics® 中粒子计数的不同方法”。

流动的流线，以沿着流动追踪的粒子到达该点所需的时间着色。

上面显示的结果可视化了沿着流线追踪的计算粒子的时间。下图显示了出口处的停留时间分布和累积分布。还可以提取标量值，例如平均停留时间和方差，如上面提到的学习中心文章中所述。

停留时间分布图（左）和累积分布图（右）。

结束语

在这里，我们只跟踪了流场的流线，但粒子跟踪模块的功能在增强流场分析方面具有广泛的应用。顾名思义，当我们要考虑流中的实际粒子时，它特别有用，在这种情况下，我们还可以包括以下效果：

• 粒子惯性
• 粒度分布
• 运输过程中尺寸/质量的变化
• 用运动粒子求解的任意附加ODE控制方程
• 作用在粒子上的力
  • 曳力
  • 湍流耗散
  • 拉力
  • 重力
  • 离心力
  • 电力
  • 介电泳力
  • 磁力
  • 磁泳力
  • 布朗（分子扩散）力
  • 热泳力
  • 声泳力
  • 粒子-粒子相互作用力
• 耦合流体粒子相互作用

有关其他可用公式的概述，请参阅上一篇关于流体中粒子追踪的博客文章。

下一步

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