模拟多孔介质中的质量、动量和能量传递 -

优化各种工业过程

许多行业和应用都涉及对复杂多孔介质的分析，如制药和食品行业。“多孔介质流模块”可以帮助农业、化学、民用和核工程师以及各行各业的科研人员分析多孔介质的流动情况、优化设计和工艺流程。

对纳米材料、多孔反应器、电子元件冷却和大规模岩土工程应用进行建模时，可以使用仿真来捕捉多孔介质对传递过程的影响。COMSOL Multiphysics^®提供了一套全面的、封装在物理场接口中的仿真工具，能够自动建立特定的方程并进行求解，以满足您对不同类型多孔介质流动的模拟需求。

多孔介质流模块的特征和功能

“多孔介质流模块”提供一系列专用的特征和功能，用于分析多孔介质中的各种过程。

“模型开发器”特写视图，其中突出显示“多层达西定律”接口，并显示生成的多孔薄层模型的压力图。

多孔介质中的缓流

达西定律用于描述流体在压力梯度驱动下，在完全饱和的多孔介质中通过间隙的流动，其中流体的剪切应力引起的动量传递可以忽略不计。您可以使用达西定律接口计算压力，然后根据压力梯度、流体黏度和渗透率来确定速度场。此外，多层达西定律接口可用于模拟流体通过多层多孔介质（如纸板、复合材料或胶合板）间隙的流动。

“模型开发器”特写视图，其中突出显示“理查兹方程模型”节点，“图形”窗口中显示快速检测试纸。

变饱和多孔介质流动

理查兹方程描述了流体在部分饱和的多孔介质中的流动过程，详细说明了流体在填充某些孔隙并从其他孔隙排出时水力属性的变化。理查兹方程接口包含 van Genuchten 或 Brooks-Corey 等内置的储水模型，您可以根据需要进行选择。与达西定律接口类似，本接口仅计算压力。由于水力属性随饱和度发生变化，因此理查兹方程是非线性的，如果没有适当的计算软件进行求解，解决这个问题将变得非常具有挑战性。

“模型开发器”特写视图，其中“流体和裂隙属性”节点处于选中状态，“图形”窗口中显示陶瓷滤水器模型。

裂隙流

多孔介质中的裂隙会影响通过多孔基体的流动属性，裂隙流接口可以根据用户定义的孔径来求解三维基体内部（二维）边界上的压力，并自动与描述周围基体中的多孔介质流动的物理场进行耦合。这种近似方法在裂隙的网格划分过程中既能节省时间，又能减少计算资源的消耗。

多孔介质多相流

相传递功能可以与达西定律接口相结合，用来模拟具有任意数量相态的多孔介质多相流。用户可以指定多孔介质属性，例如相对渗透率和各相之间的毛细压力。通过多物理场耦合，可以将多孔介质相传递与达西定律接口结合使用，在各相之间高效地传递这些属性。

多孔弹性

本模块提供了专门的多孔弹性物理场接口，通过将达西定律的瞬态公式与多孔基体的线弹性材料模型进行耦合，模拟固结和膨胀现象。在多孔介质中，流体流动会影响其可压缩性，而体积应变的变化反过来又会影响动量、材料和传热等方面的行为。为了充分利用这些效应，多孔弹性多物理场接口提供了应力张量表达式（作为体积应变的函数）和 Biot-Willis 系数。

此外，还提供多孔弹性，多层壳多物理场接口，可以对每一层具有不同材料属性的多层域（纸板、复合材料等）进行建模。

“模型开发器”特写视图，其中“传递属性”接口处于选中状态，“图形”窗口中显示多孔反应器模型。

多孔介质和裂隙中的化学物质传递

COMSOL Multiphysics^®仿真软件提供了直观且强大的功能，用于模拟多孔介质和裂隙中的化学物质传递过程。无论是稀溶液还是混合物，软件都可以精确描述任意数量的化学物质通过对流、扩散、弥散、吸附和挥发等机制进行的物质传递过程。通过将“多孔介质流模块”与化学反应工程模块结合使用，您可以轻松地将这些机制与可逆、不可逆和平衡反应动力学的定义联系起来。借助“多孔介质流模块”，您可以进一步扩展这些功能，实现对多孔介质和裂隙中化学物质传递的全覆盖。

“模型开发器”特写视图，其中“Brinkman 方程”接口处于选中状态，“图形”窗口中显示彩虹色多孔介质模型。

多孔介质中的急流

Brinkman 方程可用于计算多孔介质中快速流动的流体，其中考虑了流体速度动势、压力和重力等因素对流动的驱动作用。“Brinkman 方程”接口综合了达西定律，能够准确计算黏性剪切引起的动能耗散，与纳维-斯托克斯方程类似。

非达西流

达西定律和 Brinkman 对达西定律的修正仅适用于孔隙中的间隙速度足够低、使得蠕动流近似成立的情况。然而，当间隙速度较高时，需要在动量方程中引入额外的非线性校正项。本模块提供多个渗透率模型用于模拟多孔介质中的非达西流，以满足不同情况下的仿真需求：Brinkman 方程接口包含Forchheimer和Ergun模型，达西定律和多孔介质多相流接口包含Forchheimer、Ergun、Burke-Plummer和Klinkenberg模型。

多孔介质传热

多孔介质传热过程涉及传导、对流和弥散等多个因素。弥散现象是由液体在多孔介质中的曲折流动路径引起的，如果只分析平均对流项，将无法准确描述这一现象。在许多情况下，固相可能由具有不同传导率的多种材料组成，同时还可能涉及多种不同的流体。多孔介质传热接口可以自动分析这些复杂的因素，并提供混合规则来计算有效传热属性。

对于局部热非平衡现象，软件内置的算法将流体和多孔基体温度场的各个方程相耦合，对孔隙中的流-固界面传热进行分析。

“热湿”设置的特写视图，其中展开了“耦合接口”栏，“图形”窗口中显示木框架模型。

热湿传递

纸张、木材和其他多孔材料的热湿管理在建筑构件和消费品包装的设计中扮演着至关重要的角色。热湿流动多物理场接口能够准确模拟传热和水分输送过程，并考虑流体属性与蒸汽浓度之间的相关性。

此外，该接口还提供多种工具用于分析表面上水的冷凝和蒸发现象，并提供多个专用特征用于分析热湿储存、潜热效应以及水分扩散和传递。

“模型开发器”特写视图，其中突出显示“蠕动流”节点，以及两个蠕动流和多孔介质流模型的一部分。

层流和蠕动流

为了实现最大的灵活性，“多孔介质流模块”提供了专用的功能来模拟自由介质和多孔介质中的流动。层流和蠕动流接口可用于分析雷诺数相对较低的瞬态和稳态流动，其中，流体黏度可以随流体的局部组成和温度而变化，或与流体流动耦合建模的任何其他物理场相关。

“流体和基体属性”设置的特写视图，其中展开了相应的栏，“图形”窗口中显示一维绘图。

高级自由流动选项

将“多孔介质流模块”与CFD 模块或聚合物流动模块耦合使用时，您可以在多孔介质流动建模中考虑非牛顿流体，例如幂律、Carreau和Bingham流体。一般来说，密度、黏度和动量源可以是温度、成分、剪切速率、其他任何因变量以及因变量导数的任意函数。

除此之外，通过与“CFD 模块”结合使用，您还可以对多孔介质中的急流与自由湍流进行耦合分析。

多孔介质流模块