使用 COMSOL Multiphysics®软件中的水分流动多物理场耦合接口计算空气中的水分流动，既灵活又方便使用。这个功能从 COMSOL Multiphysics 软件 5.3a 版本开始加入，功能全面，可以用来模拟空气和建筑材料中的热湿传递。今天这篇博文，我们将带您了解怎么使用水分流动接口以及使用这个接口的优势。
热湿传递建模
对通过多孔材料或从流体表面传递的热量和水分进行建模，通常需要将周围的介质包括在模型中，以便准确估计材料表面的条件。在建筑围护结构、食品包装和其他常见工程问题的湿热行为研究中，周围的介质可能是潮湿的空气（含水蒸气的空气）。
潮湿的空气是建筑围护结构(插图，左)和太阳能食品干燥(右)等应用的环境介质。右图来自 ArianeCCM 自己的作品。通过Wikimedia Commons获得CC BY-SA 3.0许可。
当考虑多孔介质时，水分传输过程取决于材料的性质，包括毛细管流动、体积流动和水蒸气在空气中的二元扩散。在潮湿空气中，水分通过扩散和对流输送，其中对流流场在大多数情况下是湍流。
计算潮湿空气中的热湿传递需要求解三组方程:
- Navier-Stokes 方程，用于计算气流速度场\mathbf{u}和压力p
- 能量方程，计算温度T
- 水分传输方程，计算相对湿度\phi
这些方程通过压力、温度和相对湿度耦合在一起，用于评估空气的特性(密度\rho(p,T,\phi)；黏性\mu(T,\phi)；导热性k(T,\phi)；和热容量C_p(T,\phi)；分子扩散率D(T)，以及用于对流传输的速度场。
通过 COMSOL 软件中的水分流动多物理场接口，COMSOL Multiphysics 软件分几步定义了所有这三个方程，如下图所示。
建筑材料和潮湿空气中单相流、热传递和湿气传输的耦合协议的单物理接口和多物理耦合。
使用水分流动多物理场接口
每当我们开始研究潮湿空气的流动时，应该问两个问题:
- 流量取决于水分分布吗？
- 流动的性质需要使用湍流模型吗？
如果这些问题中至少有一个的答案是“是”，那么我们应该考虑使用位于化学物质传递分支下的水分流动多物理场接口。
化学物质传递分支下的水分流动组物理场向导，在每个版本的水分流动预定义多物理接口都添加了单物理接口和耦合节点。
同样，湍流下的每个分支都结合了空气中的水分输送和相应的湍流接口，并增加了水汽流动耦合。
除了提供一种对用户友好的方式来定义水分流动问题的耦合方程组，湍流多物理场接口还处理流体流动计算所需的与水分相关的湍流变量。
单物理场接口之间的自动耦合
使用水分流动多物理场接口的一个优点是它的易用性。通过预定义接口添加水分流动节点，通过使用以下变量，软件为流体流动和水分传输方程定义了 Navier-Stokes 方程的自动耦合(下图中的中间截图):
- Navier-Stokes 方程中的密度和动力黏度取决于从来自通过基于干燥空气和纯蒸汽性质的混合物公式 以及水分输送接口的相对湿度变量(下图左截图)
- 来自单相流接口的速度场和绝对压力变量，用于水分输送方程(下面的右截图)
水分流动耦合用户界面，流体性质特征(单相流接口)，以及湿空气特征(空气中的水分传输接口)。
对湍流的支持
水分流动多物理场接口特征在处理湍流时特别有吸引力。
对于湍流，由水分对流中的涡流扩散率引起的湍流混合由 COMSOL 软件通过基于湍流施密特（Schmidt）数的修正项增强水分扩散率。Kays-Crawford 模型是评估湍流施密特数的默认选择，但是也可以直接在图形用户界面中输入用户定义的值或表达式。
水分流动耦合用户界面中湍流施密特数计算模型的选择。
此外，对于可能不适合解析靠近壁的薄边界层的粗糙网格，壁功能可以由软件选择或自动应用。壁函数是这样的，计算域被假定位于离壁一定距离处，即所谓的壁抬升位置，对应于离壁的距离，在该距离处对数层与黏性子层相遇(或者如果在其间没有缓冲层，将会相遇)。g_{wf}用于计算进出壁的通量，抬升位置的水分通量，由水分流动接口基于相对湿度定义。
在流体流动的紊流模型中使用壁函数时，靠近壁的流场和水分通量的近似。
请注意，低雷诺数和自动选项壁处理也适用于一些 RANS 模型。
有关更多信息，请阅读以下关于选择湍流模型的博文。
跨越边界的质量守恒
在流体流动问题中，通过使用水分流动接口，由滤网和内部风扇边界条件可以获得适当的质量守恒。连续性条件也被施加于施加了滤网特征的蒸汽浓度边界处。对于内部风扇情况，质量流量以平均方式保持，蒸汽浓度在风扇出口处被均一化，如下图所示。
使用内部风扇条件时的平均质量流率守恒。
示例: 使用水分流动接口模拟蒸发冷却
让我们考虑在湍流气流中放置一杯水的水面的蒸发冷却。通过非等温流动，水分流动，和热湿耦合 节点耦合湍流，低雷诺数k-ε接口，空气中的水分输送接口，湿空气传热接口。这些耦合计算通过玻璃的非等温气流、与水面蒸发相关的潜热效应，以及热量和水分从该表面的传输。
如果网格分辨率不够好，不能完全求解靠近壁的速度边界层，则通过使用湍流，低雷诺数k-ε接口下的壁处理选项的壁面函数求解。通过非等温流动和水分流动耦合添加抬升位置处的对流传热和水分通量。20 分钟后的温度和相对湿度以及气流速度场的流线如下所示。
20 分钟后含速度场流线的温度(左)和相对湿度(右)解。
温度和相对湿度场在这里有很强的相似性，这是很自然的，因为场是强耦合的，而且在这种情况下，两个传输过程有相似的边界条件。此外，传热由传导和对流给出，而传质由扩散和对流描述。这两种传输过程源于相同的物理现象:来自气相中的分子相互作用的传导和扩散，而对流是由大部分流体总运动给出的。此外，涡流扩散率对湍流导热率和湍流扩散率的贡献来自于相同的物理现象，这进一步增加了温度场和湿度场的相似性。
下一步
请点击下面按钮，了解传热模块的主要特性和功能，以及 COMSOL Multiphysics 的附加功能:
阅读以下博客文章，了解更多关于热量和水分传输建模的信息:
获得教程模型中的非等温流动、传热和水分耦合的教学模型：
评论 (0)