多孔介质模拟简介

FLUENT多孔介质数值模拟设置

FLUENT专题2009-08-18 21:54:19 阅读871 评论5字号：大中小

多孔介质条件

多孔介质模型可以应用于很多问题，如通过充满介质的流动、通过过滤纸、穿孔圆盘、流量分配器以及管道堆的流动。当你使用这一模型时，你就定义了一个具有多孔介质的单元区域，而且流动的压力损失由多孔介质的动量方程中所输入的内容来决定。通过介质的热传导问题也可以得到描述，它服从介质和流体流动之间的热平衡假设，具体内容可以参考多孔介质中能量方程的处理一节。

多孔介质的一维化简模型，被称为多孔跳跃，可用于模拟具有已知速度/压降特征的薄膜。多孔跳跃模型应用于表面区域而不是单元区域，并且在尽可能的情况下被使用（而不是完全的多孔介质模型），这是因为它具有更好的鲁棒性，并具有更好的收敛性。详细内容请参阅多孔跳跃边界条件。

多孔介质模型的限制

如下面各节所述，多孔介质模型结合模型区域所具有的阻力的经验公式被定义为“多孔”。事实上多孔介质不过是在动量方程中具有了附加的动量损失而已。因此，下面模型的限制就可以很容易的理解了。

●流体通过介质时不会加速，因为事实上出现的体积的阻塞并没有在模型中出现。这对于

过渡流是有很大的影响的，因为它意味着FLUENT不会正确的描述通过介质的过渡时间。

●多孔介质对于湍流的影响只是近似的。详细内容可以参阅湍流多孔介质的处理一节。

多孔介质的动量方程

多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。源项由两部分组成，一部分是粘性损失项(Darcy)，另一个是内部损失项：

其中S_i是i向(x, y, or z)动量源项，D和C是规定的矩阵。在多孔介质单元中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度（或速度方阵）成比例。

对于简单的均匀多孔介质：

其中a是渗透性，C_2时内部阻力因子，简单的指定D和C分别为对角阵1/a和C_2其它项为零。

FLUENT还允许模拟的源项为速度的幂率：

其中C_0和C_1为自定义经验系数。

注意：在幂律模型中，压降是各向同性的，C_0的单位为国际标准单位。

多孔介质的Darcy定律

通过多孔介质的层流流动中，压降和速度成比例，常数C_2可以考虑为零。忽略对流加速以及扩散，多孔介质模型简化为Darcy定律：

在多孔介质区域三个坐标方向的压降为：

其中为多孔介质动量方程1中矩阵D的元素v j为三个方向上的分速度，D n_x、D n_y、以及D n_z为三个方向上的介质厚度。

在这里介质厚度其实就是模型区域内的多孔区域的厚度。因此如果模型的厚度和实际厚

度不同，你必须调节1/a_ij的输入。.

多孔介质的内部损失

在高速流动中，多孔介质动量方程1中的常数C_2提供了多孔介质内部损失的矫正。这一常数可以看成沿着流动方向每一单位长度的损失系数，因此允许压降指定为动压头的函数。

如果你模拟的是穿孔板或者管道堆，有时你可以消除渗透项而只是用内部损失项，从而得到下面的多孔介质简化方程：

写成坐标形式为：

多孔介质中能量方程的处理

对于多孔介质流动，FLUENT仍然解标准能量输运方程，只是修改了传导流量和过度项。在多孔介质中，传导流量使用有效传导系数，过渡项包括了介质固体区域的热惯量：

其中：

h_f=流体的焓

h_s=固体介质的焓

f=介质的多孔性

k_eff=介质的有效热传导系数

S^h_f=流体焓的源项

S^h_s=固体焓的源项

多孔介质的有效传导率

多孔区域的有效热传导率k_eff是由流体的热传导率和固体的热传导率的体积平均值计算得到：

其中：

f=介质的多孔性

k_f=流体状态热传导率（包括湍流的贡献k_t）

k_s=固体介质热传导率

如果得不到简单的体积平均，可能是因为介质几何外形的影响。有效传导率可以用自定义函数来计算。然而，在所有的算例中，有效传导率被看成介质的各向同性性质。

多孔介质中的湍流处理

在多孔介质中，默认的情况下FLUENT会解湍流量的标准守恒防城。因此，在这种默认的方法中，介质中的湍流被这样处理：固体介质对湍流的生成和耗散速度没有影响。如果介质的渗透性足够大，而且介质的几何尺度和湍流涡的尺度没有相互作用，这样的假设是合情合理的。但是在其它的一些例子中，你会压制了介质中湍流的影响。

如果你使用k-e模型或者Spalart-Allmaras模型，你如果设定湍流对粘性的贡献m_t为零，你可能会压制了湍流对介质的影响。当你选择这一选项时，FLUENT会将入口湍流的性质传输到介质中，但是它对流动混合和动量的影响被忽略了。除此之外，在介质中湍流的生成也被设定为零。要实现这一解策略，请在流体面板中打开层流选项。激活这个选项就意味着多孔介质中的m_t为零，湍流的生成也为零。如果去掉该选项（默认）则意味着多孔介质中的湍流会像大体积流体流动一样被计算。。

概述

模拟多孔介质流动时，对于问题设定需要的附加输入如下：

1.定义多孔区域

2.确定流过多孔区域的流体材料

3.设定粘性系数（多孔介质动量方程3中的1/a_ij）以及内部阻力系数（多孔介质动量

方程3中的C_2_ij），并定义应用它们的方向矢量。幂率模型的系数也可以选择指定。

4.定义多孔介质包含的材料属性和多孔性

5.设定多孔区域的固体部分的体积热生成速度（或任何其它源项，如质量、动量）（此

项可选）。

6.如果合适的话，限制多孔区域的湍流粘性。

7.如果相关的话，指定旋转轴和/或区域运动。

在定义粘性和内部阻力系数中描述了决定阻力系数和/或渗透性的方法。如果你使用多孔动量源项的幂律近似，你需要输入多孔介质动量方程5中的C_0和C_1来取代阻力系数和流动方向。

在流体面板中（下图）你需要设定多孔介质的所有参数，该面板是从边界条件菜单中打开的（详细内容请参阅边界条件的设定一节）

Figure 1:多孔区域的流体面板

定义多孔区域

正如定义边界条件概述中所提到的，多孔区域是作为特定类型的流体区域来模拟的。亚表明流体区域是多孔区域，请在流体面板中激活多孔区域选项。面板会自动扩展到多孔介质输入状态。

定义穿越多孔介质的流体

在材料名字下拉菜单中选择适当的流体就可以定义通过多孔介质的流体了。如果你模拟组分输运或者多相流，流体面板中就不会出现材料名字下拉菜单了。对于组分计算，所有流体和/或多孔区域的混合材料就是你在组分模型面板中指定的材料。对于多相流模型，

所有流体和/或多孔区域的混合材料就是你在多相流模型面板中指定的材料。

定义粘性和内部阻力系数

粘性和内部阻力系数以相同的方式定义。使用笛卡尔坐标系定义系数的基本方法是在二维问题中定义一个方向矢量，在三维问题中定义两个方向矢量，然后在每个方向上指定粘性和/或阻力系数。在二维问题中第二个方向没有明确定义，它是垂直于指定的方向矢量和z向矢量所在的平面的。在三维问题中，第三个方向矢量是垂直于所指定的两个方向矢量所在平面的。对于三维问题，第二个方向矢量必须垂直于第一个方向矢量。如果第二个方向矢量指定失败，解算器会确保它们垂直而忽略在第一个方向上的第二个矢量的任何分量。所以你应该确保第一个方向指定正确。

在三维问题中也可能会使用圆锥（或圆柱）坐标系来定义系数，具体如下：

定义阻力系数的过程如下：

1.定义方向矢量。

●使用笛卡尔坐标系，简单指定方向1矢量，如果是三维问题，指定方向2矢量。每一

个方向都应该是从(0,0)或者(0,0,0)到指定的(X,Y)或(X,Y,Z)矢量。（如果方向不正确请

按上面的方法解决）

●对于有些问题，多孔介质的主轴和区域的坐标轴不在一条直线上，你不必知道多孔

介质先前的方向矢量。在这种情况下，三维中的平面工具或者二维中的线工具可以

帮你确定这些方向矢量。

1.捕捉"Snap"平面工具（或者线工具）到多孔区域的边界。（请遵循使用面工具

和线工具中的说明，它在已存在的表面上为工具初始化了位置）。

2.适当的旋转坐标轴直到它们和多孔介质区域成一条线。

3.当成一条线之后，在流体面板中点击从平面工具更新或者从线工具更新按钮。

FLUENT会自动将方向1矢量指向为工具的红（三维）或绿（二维）箭头所指的

方向。

●要使用圆锥坐标系（比方说环状、锥状顾虑单元），请遵循下面步骤（这一选项只用

于三维问题）：

1.打开圆锥选项

2.指定圆锥轴矢量和在锥轴上的点。圆锥轴矢量的方向将会是从(0,0,0)到指定

的(X,Y,Z)方向的矢量。FLUENT将会使用圆锥轴上的点将阻力转换到笛卡尔坐标

系。

3.设定锥半角(锥轴和锥表面之间的角度，如下图)，使用柱坐标系，锥半角为

0.

Figure 1:锥半角

●对于有些问题，锥形过滤单元的主轴和区域的坐标轴不在一条直线上，你不必知道

锥轴先前的方向矢量以及锥轴上的点。在这种情况下，三维中的平面工具或者二维

中的线工具可以帮你确定这些方向矢量。一种方法如下：

1.在点击捕捉到区域按钮之前，你可以在下拉菜单中选择垂直于锥轴矢量的轴

过滤单元的边界区域。

2.点击捕捉到区域按钮，FLUENT会自动将平面工具捕捉到边界。它也会设定

锥轴矢量和锥轴上的点（需注意的是你还要自己设定锥半角）。

●另一种方法为：

1.捕捉"Snap"平面工具到多孔区域的边界。（请遵循使用面工具和线工具中的说

明，它在已存在的表面上为工具初始化了位置）。

2.旋转和平移工具坐标轴，直到工具的红箭头指向锥的轴向。工具的起点在轴

上。

3.当轴和工具的起点成一条线时，在流体面板中点击从平面工具更新按钮。

FLUENT会自动设定轴向矢量以及在轴上的点（注意：你还是要自己设定锥的

半角）。

2.在粘性阻力中指定每个方向的粘性阻力系数1/a，在内部阻力中指定每一个方向上的

内部阻力系数C_2（你可能需要将滚动条向下滚动来查看这些输入）。如果你使用锥指定方法，方向1为锥轴方向，方向2为垂直于锥表面（对于圆柱就是径向）方向，方向3圆周（q）方向。

在三维问题中可能有三种可能的系数，在二维问题中有两种：

●在各向同性算例中，所有方向上的阻力系数都是相等的（如海绵）。在各向同性算例

中你必须将每个方向上的阻力系数设定为相等。

●在三维问题中只有两个方向上的系数相等，第三个方向上的阻力系数和前两个不等，

或者在二维问题中两个方向上的系数不等，你必须准确的指定每一个方向上的系

数。例如，如果你得多孔区域是由具有小洞的细管组成，细管平行于流动方向，流

动会很容易的通过细管，但是流动在其它两个方向上（通过小洞）会很小。如果你

有一个平的盘子垂直于流动方向，流动根本就不会穿过它而只在其它两个方向上。

●在三维问题中还有一种可能就是三个系数各不相同。例如，如果多孔区域是由不规

则间隔的物体（如针脚）组成的平面，那么阻碍物之间的流动在每个方向上都不同。

此时你就需要在每个方向上指定不同的系数（请注意指定各向同性系数时，多孔介

质的解策略的注解）。

推导粘性和内部损失系数的方法在定义粘性和内部阻力系数一节中介绍。

当你使用多孔介质模型时，你必须记住FLUENT中的多孔单元是100%打开的，而且你所指定1/a_ij和/或C_2_ij的值必须是基于这个假设的。然而，假如你知道通过真实装置压降和速度之间的的变化，它只是部分地对流动开放。下面的练习会告诉你如何对FLUENT模型计算适当的C_2值。

假定穿孔圆盘只有25%对流动开放。已知通过圆盘的压降为0.5。在圆盘内真实流体速度基础上，即通过%25开放区域的的基础上，损失系数由下式定义的损失系数K_L为0.5：

要计算适当的C_2值，请注意在FLUENT模型中：

1.通过穿孔圆盘的速度假定圆盘为100%开放的。

2.损失系数必须转化为多孔区域每个单位长度的动压头损失。

对于第一条，第一步是计算并调节损失因子K_L'，它应该是在100%开放区域的速度基础上的：

或者注意对于相同的流速，v_25% open = 4v_100% open,

调节之后的损失系数为8。对于第二条，你必须将它转换为穿孔圆盘每个单位厚度的损失系数。假定圆盘的厚度为1.0 mm。内部损失系数为（国际标准单位）：

注意，对于各向异性介质，这些信息必须分别从每一个坐标方向上计算。

第二个例子，考虑模拟充满介质的流动。在湍流流动中，充满介质的流动用渗透性和内部损失系数来模拟。推导适当常数的方法包括了Ergun方程[49]的使用，对于在很大范围雷诺数内和许多类型的充满形式，有一个半经验的关系式：

当模拟充满介质的层流流动时，上面方程中的第二项可能是个小量，从而得到Blake-Kozeny 方程[49]：

在这些方程中，m是粘性，D_p是平均粒子直径，e空间所占的分数（即空间的体积除以总体积）。比较多孔介质中Darcy定律的方程1和内部损失系数为9的方程1，则每一方向上的渗透性和内部损失系数定义为：

第三个例子我们会考虑Van Winkle等人[146]，[121]的方程，并表明如何通过具有方孔圆盘的多孔介质输入来计算压力损失。

作者所声明的应用在通过在等边三角形上的方洞圆盘的湍流中的表达式为：

其中：

m(dot)=通过圆盘的质量流速

A_f=剩下的面积或者洞的总面积

A_p=圆盘的面积（固体和洞)

C=对于不同D/t的不同雷诺数范围被列成不同的表的系数

D/t=洞的直径和圆盘厚度的比例

对于t/D > 1.6和Re > 4000，系数C近似为0.98，其中雷诺数是基于洞的直径与速度的

使用下式整理方程17：

除以圆盘的厚度D x = t有：

其中v是表面速度而不是洞内的速度。与多孔介质内部损失系数中的方程1比较可以看出，对于垂直于圆盘方向，常数C_2可由下式计算：

考虑通过由随机方向的纤维或者玻璃材料组成的垫子或者过滤器的层流。对于可以二选一的方程Blake-Kozeny(方程11)，我们可能会选择将实验数据列成表。很多类型的纤维都由这一类相关的数据[70]。

固体体积分数f 玻璃丝织品的无量纲渗透性Q

0.262 0.25

0.258 0.26

0.221 0.40

0.218 0.41

0.172 0.80

其中Q =，a为纤维直径。使用多孔介质的Darcy定律中的方程1可以很容易从给定的纤维直径和体积分数种计算出。

使用幂律模型

对于多孔介质动量源项（多孔介质动量方程中的方程5），如果你使用幂律模型近似，你只要在流体面板的幂律模型中输入系数C_0和C_1就可以了。如果C_0或C_1为非

零值，解算器会忽略面板中除了多孔介质幂律模型之外的所有输入。

定义热传导

如果你选择在多孔介质中模拟热传导，你必须指定多孔介质中的材料以及多孔性。要定义多孔介质的材料，向下拉流体面板中阻力输入下面的滚动条，然后在多孔热传导的固体材料下拉列表中选中适当的固体。

然后在多孔热传导下设定多孔性。多孔性f是多孔介质中流体的体积分数（即介质的开放体积分数）。多孔性用于介质中的热传导预测，处理方法请参阅多孔介质能量方程的处理一节。它还对介质中的反应源项和体力的计算有影响。这个源项和介质中流体的体积成比例。如果你想要模拟完全开放的介质（固体介质没有影响），你应该设定多孔性为1.0。当多孔性为1.0时，介质的固体部分对于热传导和（或）热源项/反应源项没有影响。注意：多孔性永远不会影响介质中的流体速度，这已经在多孔介质的动量方程一节中介绍了。不管你将多孔性设定为何值，，FLUENT所预测的速度都是介质中的表面速度。

定义源项

如果你想在多孔流动的能量方程中包括热的影响，请激活源项选项并设定非零的能量源项。FLUENT会计算多孔区域所生成的能量，该能量为能量源项值乘以组成多孔区域的单元所有体积值。你也可以定义质量、动量、湍流、组分或者其它标量的源项，详细内容请参阅、质量、动量、能量和其它源项的定义。

在多孔区域内压制湍流源项

如多孔介质的湍流处理中所讨论的，湍流在多孔介质中的计算和大量（bulk）流体流动是一样的。如果你使用k-e模型或者Spalart-Allmaras模型，你想要压制湍流在多孔区域的影响可以打开流体区域面板中的层流区域选项（从而使得多孔区域的湍流生成为零）。

指定旋转轴并定义区域运动

旋转轴和区域运动的输入和标准流体区域的输入是相同的，详细情况可以参阅流体区域的输入一节。

多孔介质的解策略

一般说来，在模拟多孔介质时，你可以使用标准的解算步骤以及解参数的设置。然而你会发现如果多孔区域在流动方向上压降相当大（比如：渗透性a很低或者内部因子

C_2很大）的话，解的收敛速度就会变慢。这就表明由于动量源项中出现了多孔介质的压降（方程的矩阵不再是对角占优了），收敛性问题就出现了。解决多孔介质区域收敛性差最好的补救办法就是对于通过介质的流向压降有一个很好初始预测。猜测的办法之一就是，在介质流体单元的上游或者下游补偿一个压力值，详细内容请参阅所选单元的补偿值一节。必须记住的是，当补偿压力时，你所输入的压力可以定义为解算器所使用的gauge压力（即在操作条件面板中定义的相对于操作压力的压力）。

另一个处理收敛性差的方法是临时取消多孔介质模型（在流体面板中关闭多孔区域）然后获取一个不受多孔区域影响的初始流场。取消多孔区域后，FLUENT会将多孔区域处理为流体区域并按相应的流体区域来计算。一旦获取了初始解，或者计算很容易收敛，你就可以激活多孔模型继续计算包含多孔区域的流场（对于大阻力多孔介质不推荐使用该方法）。

对于高度各向异性的多孔介质，有时会造成收敛性的麻烦。对于这些问题你可以将多孔介质的各向异性系数（1/a_ij和C_2_i,j）限制在二阶或者三阶的量级。即使在某一方向上介质的阻力为无穷大，你也不需要将它设定超过初始流动方向上的1000倍。

多孔介质的后处理

可以通过检查速度分量和压力值来确定多孔区域对于流场的影响。你可能对下列变量或函数的图形（XY图，等值线图或者矢量图）或者文档报告感兴趣：

X,Y,Z速度（在速度类别中）

静压（在压力类别中）

这些变量会在后处理面板的变量选择下拉菜单制定类别中出现。

需要注意的是多孔区域的热报告不影响固体介质的属性。所报告的多孔区域内的热容、传导率以及焓是流体的属性不包括固体介质的影响

FLUENT多孔介质数值模拟详细设置

FLUENT专题2009-08-21 15:18:24 阅读441 评论8字号：大中小

这里下载完整的

https://www.wendangku.net/doc/4310499776.html,/dvbbs/dispbbs.asp?BoardID=96&ID=5909&replyID

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模拟多孔介质是一个比较难的问题，很多人搞不清怎么设置，本人经过苦恼钻研，

下面对其详细设置作出说明：

1。Gambit中划分网格之后，定义需要做为多孔介质的区域为fluid,与缺省的luid分别开来，再定义其名称，我习惯将名称定义为porous;

2。在fluent中定义边界条件define-boundary condition-porous(刚定义的名称)，将其设置边界条件为fluid,点击set按钮即弹出与fluid 边界条件一样的对话框，选中porous zone与laminar复选框,再点击porous zone标签即出现一个带有滚动条的界面；

3。porous zone设置方法：

1）定义矢量：二维定义一个矢量，第二个矢量方向不用定义，是与第一个矢量方向正交的；

三维定义二个矢量，第三个矢量方向不用定义，是与第一、二个矢量方向正交的；

（如何知道矢量的方向：打开grid图，看看X,Y,Z的方向，如果是X向，矢量为1,0,0,同理Y向为0,1,0，Z向为0,0,1,如果所需要的方向与坐标轴正向相反，则定义矢量为负）

圆锥坐标与球坐标请参考fluent帮助。

2）定义粘性阻力1/a与内部阻力C2：

下面是一个例子：

通过实验测得速度和压降进行计算：

假设实验所得速度和压降的数值如下：

通过多孔介质的为空气，密度为1.225kg/m3粘度为。由上面速度与压降的关系可以绘出一个二次由线。方程如下：

简化的动量方程

所得二次由线与方程

相比较，对应的系数相等，可得

设厚度为1m,可以解出

依据些方法计算自己所模拟的模型的粘性阻力和惯性阻力。

3）如果了定义粘性阻力1/a与内部阻力C2,就不用定义C1与C0，因为这是两种不同的定义方法，C1与C0只在幂率模型中出现，该处保持默认就行了；

4）定义孔隙率porousity，默认值1表示全开放，此值按实验测值填写即可。

完了，其他设置与普通k-e或RSM相同。

多孔介质 - 技术总结

12.4.3 可压缩流动的求解策略 可压缩流动求解中速度、密度、压力和能量的高度耦合以及可能存在的激波导致求解过程不稳定。有助于改善可压缩流动计算过程稳定性的方法有 (仅适用于基于压力求解器）以接近于滞止条件的流动参数进行初始化(即,压力很小但不为零,压力和温度分别等于进口总压和总温)。在迭代过程的最初几十步不求解能量方程。设置能量方程的亚松驰因子等于1,压力的亚松驰因子0.4,动量的亚松驰因子0.3。求解过程稳定后再加入能量方程的求解,并将压力的亚松驰因子提高到0.7。 设置合理的温度和压力限制值以避免求解过程发散。 必要时,先以较低的进、出口边界压力比进行求解,然后再逐步升高压力比直到预定工况。对于低Mach 数流动,也可以先求解不可压缩流动,然后以所得到的解作为可压缩流动的迭代初值。 某些情况下,也可以先求解无粘性流动作为迭代初值。 2.5 无粘性流动 在高Re数流动中,惯性力相对于粘性力而言起支配作用,可忽略粘性的影响。例如高速飞行器在空气动力学方案分析阶段可以采用无粘性流动计算初步确定外形,然后进行粘性计算,将流体粘性和湍流粘性对升力和阻力的影响计入。无粘性流动计算的另一个用途是给复杂的流动提供好的迭代初值。对于特别复杂的问题有时这是唯一能使求解过程进行下去的方法。 无粘性流动的计算求解Euler 方程。其中质量方程与粘性流动的相同: 其动量方程与粘性流动的相比,没有粘性应力项 粘性耗散项能量方程与粘性流动相比,

式(2.34) ~ 式(2.36)中符号的意义与粘性流动控制方程的相同见(2.1.1 ~ 2.1.3 节)。 2.6 多孔介质模型 多孔介质(Porous Media)模型可用于模拟许多问题,包括流过填充床、滤纸、多孔板、布流器、管排等的流动。多孔介质模型在流体区上定义(见17.2.1 节)。 此外,一个被称为多孔阶跃面(porous jump)的多孔介质模型的一维简化可用于模拟已知速度?压降特性的薄膜。多孔阶跃面在界面区上定义。多孔阶跃面比多孔介质模型更健壮,收敛性更好.应 ANSYS FLUENT 参考手册 12首选采用。 2.6.1 基于表观速度的多孔介质动量方程 对于单相介质和多相介质,多孔介质模型可以使用表观速度或物理速度形式的公式。 基于表观速度的多孔介质模型根据多孔介质区中的体积流量率计算表观相速度或混合物速度。基于表观速度的多孔介质模型能够较好模拟多孔介质区内部的压力损失。但是在多孔介质区与非多孔介质区的交界面处的表观速度与的速度是相同的,不能反映实际速度变化所引起的动量变化,对计算精度不利。 多孔介质模型通过在动量方程中增加源项来模拟计算域中多孔性材料对流体的流动阻力。该源项由两部分组成即Darcy 粘性阻力项和惯性损失项 其中,D 和 C 分别为粘性阻力和惯性损失系数矩阵。这个负的动量源项导致多孔介质单元中的压力降。同时,在全部变量的输运方程和连续性方程中,瞬态项变为,其中 γ 为孔隙率。 对于简单的均匀多孔介质,分别在系数矩阵D和C中对角线项代入1/α和 C2,而其它项为零,则有: 其中ɑ为渗透率C2为惯性阻力系数。 也可以用速度大小的幂函数来模拟阻力:

多孔介质在fluent中的操作方法 网络上传版本

如何在Fluent中实现多孔介质双能量方程(LNTE) How to use Non-equilibrium Thermal equation (LNTE) model for Porous media in Fluent Software ●请参照本人发表的文章： ●Please refer to the following papers： 1)Wang Fu–Qiang*，Shuai Yong*，Wang Zhi–Q iang，Leng Yu，Tan He–Ping. Thermal and chemical reaction performance analyses of steam methane reforming in porous media solar thermochemical reactor，International Journal of Hydrogen Energy，39(2)：718-730，2014 关键词：Porous, Solar, Hydrogen, Methane, Reforming, P1 approximation, radiative heat transfer 2)Wang Fu–Qiang*，Shuai Yong*，Tan He–Ping，Zhang Xiao-Feng，Mao Qian-Jun，Heat transfer analyses of porous media receiver with multi–dish collector by coupling MCRT and FVM method，Solar Energy，93：158–168，2013 关键词：Solar, Porous, dish concentrator, Receiver, Monte Carlo 3)Wang Fu–Qiang*，Shuai Yong*，Tan He–Ping，Yu Chun–Liang，Thermal Performance Analysis of Porous Media Receiver with Concentrated Solar Irradiation，International Journal of Heat and Mass Transfer，62：247–254，2013 关键词：Solar, Porous, dish concentrator, Receiver, Monte Carlo

燃烧新技术的应用与发展

---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 燃烧新技术的应用与发展 燃烧新技术的应用与发展随着经济的发展，我国能源消耗量愈来愈大，同时对环境造成的污染也愈来愈严重。 近来我国对节能减排的要求越来越高，尤其是当前全球金融危机的不利形势下，能耗水平的竞争也已成为了国家实力竞争的主战场。 而降低能耗不仅要在生产过程中严格把控，更要采用先进的节能技术和配套相应的节能设备才能实现。 针对以上现状，近年来，各类燃烧新技术在很多方面得到应用，得到了很大的发展，比如工业炉的高温空气燃烧技术、多孔介质燃烧新技术、富氧燃烧新技术在马蹄焰玻璃窑炉上的应用等等，以下将分别简单介绍。 一、工业炉的高温空气燃烧技术高温空气燃烧技术（High Temperature Air Combustion-HTAC）是 20 世纪90 年代开发成功的一项燃料燃烧领域中的新技术。 它是在传统的蓄热燃烧基础上发展起来的。 蓄热燃烧在钢铁工业中找已应用，如炼铁的热风炉，已过时的炼钢用的平炉等。 70 年带末，日本学者在英国学者提出的超焓火焰的理念基础上进行了开发。 所谓超焓是指在原有混合气所具有的焓值基础上，再添加一部 1 / 6

分焓之后的状态，不需要借助于外部热源，只要采用常规的工业炉窑燃烧所用的热再循环，就可以维持超稀薄混合气体的稳定燃烧。 日本学者重点对多孔性固体壁的传热和蓄热性能、热的再循环促进燃烧过程的机理及其应用进行了研究，取得了节能降耗的良好效果。 HTAC 包括两项基本技术手段： 一是燃烧产物显热最大限度回收（或称极限回收）；二是燃料在低氧气氛下燃烧。 燃料在高温下和低氧空气中燃烧，燃烧和体系内的热工条件与传统的（空气为常温或低于600℃以下，含氧不小于 21%）燃烧过程有明显区别。 高温空气燃烧技术能把 30%被烟气带走的余热再回收 60%～80%，节能效果显著，但是该技术在改善加热物体的温度均匀性、减少污染物排放方面在国内应用效果不佳。 二、多孔介质燃烧新技术近年来，在燃烧研究领域中，多孔介质燃烧技术越来越多的受到人们的青睐。 其特点是气体混合物在一种既耐高温、导热性能又好的特殊多孔介质材料里完成燃烧，介质做成什么形状，火焰就是什么形状，炉子内部没有火焰，加热物体不是靠火焰，而是靠加热高温介质和温度均匀的烟气的辐射热。 多孔介质燃烧新技术，是继第一代常规气体燃烧技术，第二代蓄热燃烧技术之后，国际最新的第三代气体燃烧技术。

多孔介质燃烧技术研究进展及应用

多孔介质燃烧技术研究进展及应用 1概述 20世纪70年代,英国学者Weinber首次提出超绝热燃烧概念。多孔介质燃烧是用惰性多孔介质材料取代自由空间,利用其相对于气体而言强大得多的蓄热功能和辐射特性,实现热反馈,即将燃烧产生的热量及尾气中的余热用于加热反应区上游的预混合气,加强火焰中的传热传质过程,从而使燃烧反应大大增强，多孔介质燃烧是用惰性多孔介质材料取代自由空间。在忽略对外热损失的情况下火焰温度可超过未预热可燃混合气的绝热火焰温度,因此也称为超绝热燃烧（Super-adiabatic Combustion）。 图1 超绝热火焰的形成机理 多孔介质燃烧器具有功率大、范围可调、高功率密度、极低的CO和Nox 排放量、安全稳定燃烧、结构紧凑,尺寸大大减小,制造成本低,系统效率较高,消除了额外能耗。 该技术主要包括多孔介质内的预混合气燃烧技术和液体燃料的汽化燃烧技术两部分内容。 2气体燃料在多孔介质中的燃烧 气体燃料在多孔介质中的燃烧可以被应用到诸多领域,包括动力工程、化学工艺、生态学、火灾和爆炸的预防等。实际上,气体在多孔介质中的燃烧又都可

以称为滤过燃烧(FiltionCombustion,FC）。 主要包括以下几个方向:多孔惰性介质(PIM)中的燃烧技术,催化性多孔介质中的燃烧技术,可燃多孔介质中的燃烧,多孔介质的燃烧合成或烧结技术等。 2.1天然气在渐变型多孔介质中的燃烧特性试验研究 惰性多孔介质中的燃烧。多孔介质中火焰受限在多孔介质孔隙中,被分成若干个微小火焰,相互制约相互影响,宏观上又表现为均匀的平面火焰。 图2 惰性多孔介质中预混燃烧机理 钢瓶额定压力为20MPa,高压天然气经过天然气减压器后通入预混室与空气混合。由于天然气在减压过程中会出现结露或者结霜现象,导致减压器出口受堵,引起天然气压力和流量波动,不能保证正常供气,所以天然气减压器需要有伴热装。 图3 多孔介质燃烧试验系统

多孔介质介绍

Fluent自带了一个多孔介质的例子，catalytic_converter.cas，是一个汽车尾气催化还原装置，其中绿色部分为催化剂部分 其他设置就不说了，只说说与多孔介质有关的设置。 在建立模型时，必须将多孔介质单独划分为一个区域，然后才可以在设置边界条件时将这个区域设置为多孔介质。 1、在zone中选中该区域，在type中选中fluid，点set来到设置面板。 2、在Fluid面板中，选中Porous zone选项，如果忽略多孔区域对湍流的影响，选中Laminar zone。 3、首先是速度方向的设置，在2d中，在direction-1 vector中填入速度方向，在3d中，在direction-1 vector和direction-2 vector中填入速度方向，余下的未填方向，可以根据principal axis得到。另外也可以用Update From Plane Tool来得到这两个量。 4、填入粘性阻力系数和惯性阻力系数，这两个系数可以通过经验公式得到。在catalytic_converter.cas中可以看到x方向的阻力系数都比其他两个方向的阻力系数小1000倍，说明x方向是主要的压力降方向，其他两个方向不流通，压力降无限大。（经验公式可以看帮助文

件，其中有详细的介绍）。随后的Power Law Model 中两个系数是另一种描述压力降的经验模型，一般不使用，可以保留缺省值0。 5、最后是Fluid Porosity，这个值只在模型选择了Physical Velocity 时才起作用，一般对计算没有影响，这个值要小于1。补充：这个值在计算热传导时也起作用。 下面是改变一些参数后的比较。 1、速度方向的改变： 原case：1、0、0 和0、1、0 y=0截面的速度矢量图 修正case：-0.7366537、0.06852359、0.6727893 和0.6694272、-0.06727878、0.7398248 y＝0速度矢量图

多孔介质燃烧技术

多孔介质燃烧技术 1 多孔介质燃烧技术 加入多孔介质的燃烧器由于对流，导热和辐射三种换热方式的存在，使燃烧区域温度趋于均匀，保持较平稳的温度梯度。在燃烧稳定的同时还具有较高的容积热强度。与自由空间燃烧相比，预混气体在多孔介质中的燃烧具有功率密度大，调节范围广，污染物排放低和结构紧凑等优点。多孔介质预混燃烧特点是燃烧设备的热效率较高，其原因有以下两个方面：①燃气与空气预先充分混合, 在过剩空气很小的情况下也可达到完全燃烧, ②由于辐射作用, 多孔介质的高温后部对低温的前部进行加热, 从而达到对未反应的燃气混合物的预热作用, 加快了燃烧速度。因此对多孔介质传热传质和燃烧的研究具有重大的学术价值，已成为当前最活跃最前沿的研究领域之一[1]。 传统的气体燃料燃烧主要是以自由火焰为特征的燃烧。这种燃烧需要较大的空间，火焰周围温度梯度大，容易产生局部高温。当温度高于1500℃时， NO生 x 成变得明显[2]。由于 NO的剧毒性，减少其排放也显得非常重要。传统燃烧器的 x 换热器主要以烟气辐射和对流换热为主，换热系数小。 多孔介质燃烧技术是一种新颖独特的燃烧方式[3]。其与自由空间燃烧的区别在于：（1）多孔介质的空隙率很大相对于自由空间有较大的固体表面积，因而有较强的蓄热能力[4]；（2）多孔介质的存在使混合气体在其中产生剧烈的扰动，强化了换热。（3）相对于气体来说多孔介质有较强的导热和辐射能力，可以使预混气体燃烧产生的部分热量从下游的高温区传递到上游的低温区预热未然混合气体，这样就提高了燃烧速率并可使燃料完全燃烧，减少了CO的排放；（4）多孔介质良好的换热特性是燃烧区域温度迅速趋于均匀，保持了平稳的温度梯 NO生成量；（5）辐射燃烧效率最高可达度，降低了最高温度水平，减少了 x 80%-90%，而常规辐射燃烧器对辐射的转换效率充其量为30%[5]，在相同的热负荷下,多孔介质预混燃烧热效率较高，比本生式燃烧节约燃气30-50%[6]。与自由燃烧相比，多孔介质燃烧具有燃烧速率高、燃烧稳定性好、负荷调节范围大、容

FLUENT多孔介质中平面面板(plane surface)工具的使用

1、输出grid图形 2、选择surface---plane,打开plane surface面板 3、通过确定三个点来确定平面位置。单击slect point，出现提示，不点选cancel.在grid 图形的多孔介质区域任意位置右键点选3个点。 4、回到plane surface面板，勾选plane tool，则在grid图形的多孔介质区域出现一个平面。

若出现的平面与我们的预期相差比较大的话，可以单击reset points,可以获得一个特殊位置的平面。 5、打开多孔介质的控制面板，选择porou zone标签，点击update from plane tool按钮，获得方向矢量1，和方向矢量2的原始值，并与左下角的坐标系统比较，确定我们大概的旋转方向。 6、对比grid图形左下角的坐标系统，红线和红色箭头代表的是方向矢量1，绿线和绿色箭头代表的是方向矢量2 应该使红线和X正方向平行，绿线和Y正方向平行。具体的操作应该是： 一：先单击白线的蓝色箭头，固定了该方向在旋转过程中不变，可以保证在旋转的过程比较有规律，然后右键点选白线的红色箭头旋转红线的红色箭头到X的正轴； 二: 接下来应该是单击白线的红色箭头，固定该方向不变，单击白线的蓝色箭头，旋转绿线的绿色箭头指向Y的正轴。（所以多孔介质区域我们一般是设置在坐标系统里面，轴线等 与坐标系统无非直角角度关系）。把平面移动到图形外有利于旋转，比较清楚。平面

法线方向的移动是用鼠标右键单击平面阴影部分并拖动，横向移动则需按下shift并进行如上操作。 7、旋转到适当的位置后（鼠标右键拖动箭头），再次点击update from plane tool按钮，获得方向矢量1，和方向矢量2。 得到的数值很可能不是整数，这个时候我们可以把他简化为整数。例如：0.9123可以简化为1，0.01245可以简化为0，以此类推。

多孔介质发动机

多孔介质（PM）发动机技术 作者：MMM 指导老师：MMM 0 摘要 多孔介质(PM)发动机是基于多孔介质燃烧技术的新型发动机，能够实现均质和稳定燃烧。 1 引言 能源危机与环保是人类日益关注的两大焦点，随着排放法规的愈加严格，对发动机的排放提出了更高的要求。由于均质压然（HCCI）发动机具有高热效率、低 NO和微粒排放的 X 突出优点而成为发动机领域当前最大的研究热点。但目前HCCI技术还面临着预混合气均质形成、全工况适应性差及自然着火速率缺乏有效控制等困难。基于多孔介质燃烧技术的超绝热发动机在解决这些问题上具有明显的优势。多孔介质发动机能够实现发动机内的均质和稳定燃烧。 多孔介质内的可控燃烧是一种新型燃烧技术，该技术不仅可以大幅度降低排放，在提高效率方面也有很大潜力，同时兼有燃烧稳定、结构经凑、负荷调节范围广等特点。基于多孔介质燃烧技术的超绝热发动机概念，已得到各国学者的广泛关注。 2 PM发动机的工作过程 多孔介质发动机一般有两种形式,一是多孔介质与气缸周期性接触，另一种为多孔介质与气缸保持永久性接触。 （1）多孔介质与汽缸周期性接触模型介绍： 如图1所示，多孔介质燃烧室安装在气缸顶部，在TDC附近，新鲜空气进入缸内，此时PM室与气缸隔离，PM室内是燃油蒸汽．进气、压缩过程与传统发动机一样，为绝热过程。压缩过程末期(TDC前)PM室阀门开放，压缩空气进入PM室发生瞬时回热，实现完全气化，回热近似为等容过程。空气与燃油蒸汽在PM室内迅速混合并自点火燃烧，燃烧放出大量热量，一部分存储在PM内，一部分推动活塞做功，燃烧近似为等温吸热过程。在绝热膨胀冲程末期，PM室阀门关闭，燃油喷射到PM室内，实现气化。此过程持续时间很长(直到下一循环压缩末期)，可以保证燃油完全气化。经过排气冲程后，开始新一循环的进气冲程。每次循环，PM在压缩末期放热，在燃烧过程吸热。

多孔介质讲解

多孔介质条件 多孔介质模型可以应用于很多问题，如通过充满介质的流动、通过过滤纸、穿孔圆盘、流量分配器以及管道堆的流动。当你使用这一模型时，你就定义了一个具有多孔介质的单元区域，而且流动的压力损失由多孔介质的动量方程中所输入的内容来决定。通过介质的热传导问题也可以得到描述，它服从介质和流体流动之间的热平衡假设，具体内容可以参考多孔介质中能量方程的处理一节。 多孔介质的一维化简模型，被称为多孔跳跃，可用于模拟具有已知速度/压降特征的薄膜。多孔跳跃模型应用于表面区域而不是单元区域，并且在尽可能的情况下被使用（而不是完全的多孔介质模型），这是因为它具有更好的鲁棒性，并具有更好的收敛性。详细内容请参阅多孔跳跃边界条件。 多孔介质模型的限制 如下面各节所述，多孔介质模型结合模型区域所具有的阻力的经验公式被定义为“多孔”。事实上多孔介质不过是在动量方程中具有了附加的动量损失而已。因此，下面模型的限制就可以很容易的理解了。 ● 流体通过介质时不会加速，因为事实上出现的体积的阻塞并没有在模型中出现。这对于过渡流是有很大的影响的，因为它意味着FLUENT 不会正确的描述通过介质的过渡时间。 ● 多孔介质对于湍流的影响只是近似的。详细内容可以参阅湍流多孔介质的处理一节。 多孔介质的动量方程 多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。源项由两部分组成，一部分是粘性损失项 (Darcy)，另一个是内部损失项： ∑∑==+=31312 1j j j j ij j ij i v v C v D S ρμ 其中S_i 是i 向(x, y, or z)动量源项，D 和C 是规定的矩阵。在多孔介质单元中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度（或速度方阵）成比例。 对于简单的均匀多孔介质： j j i i v v C v S ραμ2 12+= 其中a 是渗透性，C_2时内部阻力因子，简单的指定D 和C 分别为对角阵1/a 和C_2其它项为零。 FLUENT 还允许模拟的源项为速度的幂率： ()i C C j i v v C v C S 10011-== 其中C_0和C_1为自定义经验系数。 注意：在幂律模型中，压降是各向同性的，C_0的单位为国际标准单位。

多孔介质燃烧实验报告

多孔介质燃烧实验报告 班级：08081801学号：0808180122 姓名：黄锦宏指导老师：谭洪 一、实验背景： 多孔介质，即由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙构成的介质。多孔介质是由多相物质所占据的共同空间，也是多相物质共存的一种组合体，没有固体骨架的那部分空间叫做孔隙，由液体或气体或气液两相共同占有，相对于其中一相来说，其他相都弥散在其中，并以固相为固体骨架，构成空隙空间的某些空洞相互连通。多孔介质是一种具有大孔隙率和光学厚度的透气性固体。多孔介质的存在使燃料和氧气的接触面积变大，燃烧过程中，多孔介质内气相的燃烧放热、内部导热、对流、传质和固相内部导热、辐射及气、固两相之问的对流换热互相耦合，这种复杂的传热和化学反应过程就构成新颖、独特的燃烧方式。 燃料和氧化剂(氧气或空气)按一定的比例预先均匀混合，再送入燃烧室中进行燃烧的方法称为预混合燃烧。多孔介质内预混合燃烧是指预混合气体通过颗粒或小球填充床、蜂窝陶瓷或泡沫陶瓷、毛毡滤芯、金属薄片叠层、纤维膨化结构等多孔介质固体框架缝隙内的燃烧。 多孔介质燃烧优点有很多，相对于气体，多孔介质具有更良好的热交换特性，使燃烧区域温度迅速趋于均匀；相对于自由空间，多孔介质有更大的固体表面积，因而具有很强的蓄热能力。由于多孔介质的存在，在燃烧过程中，通过各种换热形式，尤其为辐射放热，大部分反应区产生的热量回流有效预热未燃混合气体，使燃烧保持更好的稳定性。大量的研究表明多孔介质中的预混燃烧可大幅度提高燃烧速率，显著增强火焰稳定性，提高火焰温度，扩展贫燃极限，降低有害污染物的排放量。 二、实验目的： 研究可燃气体混合物在耐高温、导热性能较好的多孔介质里的燃烧情况，并且与无多孔介质时加以对比。通过监测分析燃烧室各处的温度变化来分析多孔介质对燃烧的促进作用。 三、实验系统与设备 本研究的实验装置结构系统包括燃烧器、供气系统和测量系统三个部分。燃烧器由预混室和燃烧室组成。燃烧室下部装置厚20mm,孔径为1mm的直孔陶瓷板，用以对预混气体进行整流，使预混气体尽量均匀地进入燃烧室燃烧。燃烧室中填充的多孔介质为泡沫陶瓷片（主要成分为SiC） 四、实验系统图：

(整理)多孔介质-Fluent模拟

7.19多孔介质边界条件 多孔介质模型适用的范围非常广泛，包括填充床，过滤纸，多孔板，流量分配器，还有管群，管束系统。当使用这个模型的时候，多孔介质将运用于网格区域，流场中的压降将由输入的条件有关，见Section 7.19.2.同样也可以计算热传导，基于介质和流场热量守恒的假设，见Section 7.19.3. 通过一个薄膜后的已知速度/压力降低特性可以简化为一维多孔介质模型，简称为“多孔跳跃”。多孔跳跃模型被运用于一个面区域而不是网格区域，而且也可以代替完全多孔介质模型在任何可能的时候，因为它更加稳定而且能够很好地收敛。见Section 7.22. 7.19.1 多孔介质模型的限制和假设 多孔介质模型就是在定义为多孔介质的区域结合了一个根据经验假设为主的流动阻力。本质上，多孔介质模型仅仅是在动量方程上叠加了一个动量源项。这种情况下，以下模型方面的假设和限制就可以很容易得到： ?因为没有表示多孔介质区域的实际存在的体，所以fluent默认是计算基于连续性方程的虚假速度。做为一个做精确的选项，你可以适用fluent 中的真是速度，见section7.19.7。 ?多孔介质对湍流流场的影响，是近似的，见7.19.4。 ?当在移动坐标系中使用多孔介质模型的时候，fluent既有相对坐标系也可以使用绝对坐标系，当激活相对速度阻力方程。这将得到更精确的源项。 相关信息见section7.19.5和7.19.6。 ?当需要定义比热容的时候，必须是常数。 7.19.2 多孔介质模型动量方程 多孔介质模型的动量方程是在标准动量方程的后面加上动量方程源项。源项包含两个部分：粘性损失项（达西公式项，方程7.19-1右边第一项），和惯性损失项（方程7.19-1右边第二项） (7.19-1)

多孔介质

0.引言 近年来，随着中国经济的迅猛发展，能源和环境问题越来越成为人们关注的重点。我国经济快速发展需要消耗大量的能源，同时要兼顾环境保护，走人类与自然协调发展的可持续发展道路。然而我国面临着能源供需矛盾突出、环境污染日趋严重和生态遭到持续破坏等一系列问题。其中能源供给紧张可能会成为我国经济发展的薄弱环节。因此，拓宽能源供给渠道、挖掘和开发使用低品位或低热值的能源，同时寻求有利于环境保护的高效洁净燃烧技术，无疑会成为解决上述问题的有力支持。近年来，许多新的燃烧技术不断涌现，其中多孔介质燃烧技术具有优越的特性和广泛的应用前景。 多孔介质燃烧技术又称PMC(PorousMediaCombustion)技术，是最近十余年国际燃烧领域发展的一种全新的燃烧方式。相比燃烧时存在局部高温的“有焰”燃烧，这种燃烧没有明火焰，NO，和CO等污染物的生成显著降低(可达70％以上)。由于整体温度的显著提高和辐射传热的增加，燃烧热利用效率大大提高(有些情况甚至超过50％)。另外PMC技术对使用低热值(劣质)燃料(高炉煤气、有机废气等)也有明显的优势。由于集节能、减排、环保于一身，PMC技术被国际燃烧界誉为是2l世纪最有发展前途的燃烧技术，国内哈工大秦裕琨院士的课题组称其为“划时代的燃烧技术”。目前在日本、德国和美国，PMC技术已成功应用于冶金、机械、化

工、陶瓷等行业的一些燃气炉窑上。鉴于该技术的重要性，国内的重点高校和研究所纷纷开展对该技术的研究，建立了相应的试验台，但是由于缺乏产学研的渠道以及没有解决多孔介质材料的寿命问题，PMC技术目前在国内没有实现工业化。宝钢研究院于2010年8月在一台2MW功率的加热炉上实现了多孔介质燃烧技术的应用，填补了国内空白。 1.多孔介质燃烧技术的概念 气体在多孔介质中的燃烧都可以称为滤过燃烧口，即气体(可燃气体和氧化剂)流过多孔介质孔隙过程中发生的燃烧过程。按照多孔介质性质及研究重点不同，可以划分为以下几个方向：多孔惰性介质中的燃烧技术、催化性多孔介质中的燃烧技术、可燃多孔介质中的燃烧、多孔介质的燃烧合成或烧结技术等。对于惰性多孔介质中的燃烧，又可以分为2种情况：火焰完全在多孔介质内部燃烧和主要在多孔介质表面燃烧。 相对于本生灯式的自由的预混燃烧方式来说，惰性多孔介质中的预混燃烧方式是一种完全不同的、新颖的燃烧方式。它是气体混合物在一种既耐高温、导热性能又好的特殊多孔介质材料里燃烧的过程。理论上说，多孔介质中火焰受限于多孔介质孔隙中，被分成若干个微小火焰，相互制约，相互影响，宏观上又表现为均匀的平面火焰。 多孔介质中的燃烧过程涉及到多种换热过程：气体间的

FLUENT多孔介质数值模拟设置

FLUENT多孔介质数值模拟设置 多孔介质条件 多孔介质模型可以应用于很多问题，如通过充满介质的流动、通过过滤纸、穿孔圆盘、流量分配器以及管道堆的流动。当你使用这一模型时，你就定义了一个具有多孔介质的单元区域，而且流动的压力损失由多孔介质的动量方程中所输入的内容来决定。通过介质的热传导问题也可以得到描述，它服从介质和流体流动之间的热平衡假设，具体内容可以参考多孔介质中能量方程的处理一节。 多孔介质的一维化简模型，被称为多孔跳跃，可用于模拟具有已知速度/压降特征的薄膜。多孔跳跃模型应用于表面区域而不是单元区域，并且在尽可能的情况下被使用（而不是完全的多孔介质模型），这是因为它具有更好的鲁棒性，并具有更好的收敛性。详细内容请参阅多孔跳跃边界条件。 多孔介质模型的限制 如下面各节所述，多孔介质模型结合模型区域所具有的阻力的经验公式被定义为“多孔”。事实上多孔介质不过是在动量方程中具有了附加的动量损失而已。因此，下面模型的限制就可以很容易的理解了。 流体通过介质时不会加速，因为事实上出现的体积的阻塞并没有在模型中出现。这对于过渡流是有很大的影响的，因为它意味着FLUENT不会正确的描述通过介质的过渡时间。 多孔介质对于湍流的影响只是近似的。详细内容可以参阅湍流多孔介质的处理一节。 多孔介质的动量方程 多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。源项由两部分组成，一部分是粘性损失项 (Darcy)，另一个是内部损失项： 其中S_i是i向(x, y, or z)动量源项，D和C是规定的矩阵。在多孔介质单元中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度（或速度方阵）成比例。 对于简单的均匀多孔介质： 其中a是渗透性，C_2时内部阻力因子，简单的指定D和C分别为对角阵1/a 和C_2其它项为零。 FLUENT还允许模拟的源项为速度的幂率： 其中C_0和C_1为自定义经验系数。 注意：在幂律模型中，压降是各向同性的，C_0的单位为国际标准单位。 多孔介质的Darcy定律 通过多孔介质的层流流动中，压降和速度成比例，常数C_2可以考虑为零。忽略对流加速以及扩散，多孔介质模型简化为Darcy定律： 在多孔介质区域三个坐标方向的压降为：

多孔介质模拟简介

FLUENT多孔介质数值模拟设置 FLUENT专题2009-08-18 21:54:19 阅读871 评论5字号：大中小 多孔介质条件 多孔介质模型可以应用于很多问题，如通过充满介质的流动、通过过滤纸、穿孔圆盘、流量分配器以及管道堆的流动。当你使用这一模型时，你就定义了一个具有多孔介质的单元区域，而且流动的压力损失由多孔介质的动量方程中所输入的内容来决定。通过介质的热传导问题也可以得到描述，它服从介质和流体流动之间的热平衡假设，具体内容可以参考多孔介质中能量方程的处理一节。 多孔介质的一维化简模型，被称为多孔跳跃，可用于模拟具有已知速度/压降特征的薄膜。多孔跳跃模型应用于表面区域而不是单元区域，并且在尽可能的情况下被使用（而不是完全的多孔介质模型），这是因为它具有更好的鲁棒性，并具有更好的收敛性。详细内容请参阅多孔跳跃边界条件。 多孔介质模型的限制 如下面各节所述，多孔介质模型结合模型区域所具有的阻力的经验公式被定义为“多孔”。事实上多孔介质不过是在动量方程中具有了附加的动量损失而已。因此，下面模型的限制就可以很容易的理解了。 ●流体通过介质时不会加速，因为事实上出现的体积的阻塞并没有在模型中出现。这对于 过渡流是有很大的影响的，因为它意味着FLUENT不会正确的描述通过介质的过渡时间。 ●多孔介质对于湍流的影响只是近似的。详细内容可以参阅湍流多孔介质的处理一节。 多孔介质的动量方程

多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。源项由两部分组成，一部分是粘性损失项(Darcy)，另一个是内部损失项： 其中S_i是i向(x, y, or z)动量源项，D和C是规定的矩阵。在多孔介质单元中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度（或速度方阵）成比例。 对于简单的均匀多孔介质： 其中a是渗透性，C_2时内部阻力因子，简单的指定D和C分别为对角阵1/a和C_2其它项为零。 FLUENT还允许模拟的源项为速度的幂率： 其中C_0和C_1为自定义经验系数。 注意：在幂律模型中，压降是各向同性的，C_0的单位为国际标准单位。 多孔介质的Darcy定律 通过多孔介质的层流流动中，压降和速度成比例，常数C_2可以考虑为零。忽略对流加速以及扩散，多孔介质模型简化为Darcy定律： 在多孔介质区域三个坐标方向的压降为： 其中为多孔介质动量方程1中矩阵D的元素v j为三个方向上的分速度，D n_x、D n_y、以及D n_z为三个方向上的介质厚度。 在这里介质厚度其实就是模型区域内的多孔区域的厚度。因此如果模型的厚度和实际厚

多孔介质

2.4.3 可压缩流动的求解策略 可压缩流动求解中速度、密度、压力和能量的高度耦合以及可能存在的激波导致求解过程不稳定。有助于改善可压缩流动计算过程稳定性的方法有： ● （仅适用于基于压力求解器）以接近于滞止条件的流动参数进行初始化（即，压力很小但不为零，压力和温度分别等于进口总压和总温）。在迭代过程的最初几十步不求解能量方程。设置能量方程的亚松驰因子等于1，压力的亚松驰因子0.4，动量的亚松驰因子0.3。求解过程稳定后再加入能量方程的求解，并将压力的亚松驰因子提高到0.7。 ● 设置合理的温度和压力限制值以避免求解过程发散。 ● 必要时，先以较低的进、出口边界压力比进行求解，然后再逐步升高压力比直到预定工况。对于低Mach 数流动，也可以先求解不可压缩流动，然后以所得到的解作为可压缩流动的迭代初值。某些情况下，也可以先求解无粘性流动作为迭代初值。 2.5 无粘性流动 在高Re 数流动中，惯性力相对于粘性力而言起支配作用，可忽略粘性的影响。例如高速飞行器在空气动力学方案分析阶段可以采用无粘性流动计算初步确定外形，然后进行粘性计算，将流体粘性和湍流粘性对升力和阻力的影响计入。 无粘性流动计算的另一个用途是给复杂的流动提供好的迭代初值。对于特别复杂的问题，有时这是唯一能使求解过程进行下去的方法。 无粘性流动的计算求解Euler 方程。其中，质量方程与粘性流动的相同： ()m v S t ρρ?+??=? (2.34) 其动量方程与粘性流动的相比，没有粘性应力项τ??： ()()v vv p g F t ρρρ?+??=-?++? (2.35) 能量方程与粘性流动相比，没有导热项()eff k T ???和粘性耗散项()eff v τ??? ： ()()()j j h j E v E p h J S t ρρ???+??+=-??+ ???? ∑ (2.36) 式(2.34) ~ 式(2.36)中符号的意义与粘性流动控制方程的相同（见2.1.1 ~ 2.1.3节）。 2.6 多孔介质模型 多孔介质（Porous Media ）模型可用于模拟许多问题，包括流过填充床、滤纸、多孔板、布流器、管排等的流动。多孔介质模型在流体区上定义（见17.2.1节）。 此外，一个被称为多孔阶跃面（porous jump ）的多孔介质模型的一维简化可用于模拟已知速度?压降特性的薄膜。多孔阶跃面在界面区上定义。多孔阶跃面比多孔介质模型更健壮，收敛性更好，应

完整word版,fluent中多孔介质设置问题和算例

经过痛苦的一段经历，终于将局部问题真相大白，为了使保位同仁不再经过我之痛苦，现在将本人多孔介质经验公布如下，希望各位能加精： 1。Gambit中划分网格之后，定义需要做为多孔介质的区域为fluid,与缺省的fluid分别开来，再定义其名称，我习惯将名称定义为porous; 2。在fluent中定义边界条件define-boundary condition-porous(刚定义的名称)，将其设置边界条件为fluid,点击set按钮即弹出与fluid边界条件一样的对话框，选中porous zone与laminar复选框,再点击porous zone标签即出现一个带有滚动条的界面；

3。porous zone设置方法： 1）定义矢量：二维定义一个矢量，第二个矢量方向不用定义，是与第一个矢量方向正交的；

三维定义二个矢量，第三个矢量方向不用定义，是与第一、二个矢量方向正交的； （如何知道矢量的方向：打开grid图，看看X,Y,Z的方向，如果是X向，矢量为1,0,0,同理Y向为0,1,0，Z向为0,0,1,如果所需要的方向与坐标轴正向相反，则定义矢量为负） 圆锥坐标与球坐标请参考fluent帮助。 2）定义粘性阻力1/a与内部阻力C2：请参看本人上一篇博文“终于搞清fluent中多孔粘性阻力与内部阻力的计算方法”，此处不赘述；

3）如果了定义粘性阻力1/a与内部阻力C2,就不用定义C1与C0，因为这是两种不同的定义方法，C1与C0只在幂率模型中出现，该处保持默认就行了； 4）定义孔隙率porousity，默认值1表示全开放，此值按实验测值填写即可。 完了，其他设置与普通k-e或RSM相同。总结一下，与君共享!

工业级多孔介质低氮燃烧器试验研究

DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2018.11.012 工业级多孔介质低氮燃烧器试验研究 吴雪松，程乐鸣，闫珂，张维国 (浙江大学 热能工程研究所 能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027) 摘 要：通过多孔介质燃烧器的燃烧试验研究低氮燃烧器的稳燃范围，探究在不同功率（50~100 kW ）和当量比 （0.6~1.0）下燃烧器的氮氧化物（NO x ）和一氧化碳（CO ）的生成特性，探讨多孔介质直径对燃烧器燃烧产物的影 响. 结果表明，燃烧器稳燃上限和稳燃下限均随当量比的增大而增大，并且稳燃上限的增幅大于稳燃下限；天然 气在多孔介质内燃烧时生成的氮氧化物主要为NO ，其排放质量浓度随燃烧器功率和燃烧当量比的增大而增大. 在试验工况范围内，氮氧化物排放质量浓度低于30 mg/m 3，工业级多孔介质燃烧器具有低氮排放特性；CO 排放 质量浓度随当量比的增大先降低后升高，在当量比小于0.9时，CO 排放质量浓度低于56 mg/m 3；为了同时实现较 低的NO x 和CO 排放，燃烧器运行的当量比范围应控制在0.7~0.8. 研究的2种多孔介质直径对燃烧器的NO x 和 CO 排放质量浓度没有明显影响. 关键词： 低氮燃烧器；多孔介质燃烧器；多孔介质直径；氮氧化物排放；一氧化碳排放 中图分类号： TK 223 文献标志码： A 文章编号： 1008?973X （2018）11?2136?06 Experimental study of industrial low nitrogen porous media burner WU Xue-song, CHENG Le-ming, YAN Ke, ZHANG Wei-guo (State Key Laboratory of Clean Energy Utilization , Institute for Thermal Power Engineering , Zhejiang University , Hangzhou 310027, China ) Abstract: A combustion test of porous media burner was conducted to investigate the stability limits of low nitrogen burner. Characteristics of nitrogen oxide (NO x ) and carbon monoxide (CO) emissions of the burner at varied burner powers from 50 kWto 100 kW and varied equivalence ratios from 0.6 to 1.0 were presented. The influence of porous media diameter on the combustion production was also studied. Results showed that the stable operating range extended and shifted to larger values while the equivalence ratio increased, and the upper limit increased greater than the inferior limit. NO was the main component of oxynitride when natural gas combusted in the porous media burner. The NO x emission increased with the burner power and the equivalence ration. The maximum NO x emission of the burner was below 30 mg/m 3 for all operating conditions. The industrial porous burner has low NO x emission characteristics. CO concentration increased after a decrease with the rise of equivalence ratio, and it was below 56mg/m 3 when the equivalence ratio was smaller than 0.9. To achieve low NO x and CO emissions at the same time, the equivalence ratio should be controlled between 0.7 and 0.8. There is no significant changes in NO x and CO emissions for the two porous media diameters. Key words: low NO x burner; porous media burner; diameter of porous media; NO x emission; CO emission 收稿日期：2017?09?19. 网址：https://www.wendangku.net/doc/4310499776.html,/eng/fileup/HTML/201811012.htm 基金项目：能源清洁利用国家重点实验室（浙江大学）自主课题资助项目（ZJUCEU 2017009）. 作者简介：吴雪松（1993—），男，硕士生，从事多孔介质燃烧器研究. https://www.wendangku.net/doc/4310499776.html,/0000-0003-0741-9675. E-mail ：3110104363@https://www.wendangku.net/doc/4310499776.html, 通信联系人：程乐鸣，男，教授. https://www.wendangku.net/doc/4310499776.html,/0000-0003-3643-2617. E-mail ：lemingc@https://www.wendangku.net/doc/4310499776.html, 第 52 卷第 11 期 2018 年 11 月浙 江 大 学 学 报(工学版)Journal of Zhejiang University (Engineering Science)Vol.52 No.11Nov. 2018

COMSOL Multiphysics模拟多孔介质流动

COMSOL Multiphysics多孔介 质流动: 裂隙流 中仿科技技术部 中仿科技---专业信息化软件及技术咨询公司https://www.wendangku.net/doc/4310499776.html,

模型背景 在多孔介质的裂缝中，流体流动得较快，而在周围的多孔介质岩体当 中，流体也会进入微孔，尽管速度非常慢。由于裂缝和岩体之间存在 着流体的传质，所以在裂缝和岩体的界面上压强是连续的。精确模拟 岩体和裂缝中的流动在一些案例中是很有关键的，例如估计井的流 率，描述污染物的迁移，设计污染物清除策略等。 本算例说明了联合求解裂缝和岩体流动的一种高效而精确的方法。模 型建立为一个立方体岩体，它的内部边界为裂缝。Darcy定律是岩体 中速度的控制方程，裂缝中的流动设定与裂缝厚度有关。将裂缝定义 为内部边界是一种高效的方法，因为这样就不需要为狭窄的裂缝体积 来建立面积-厚度比非常高的精细网格。 中仿科技---专业信息化软件及技术咨询公司https://www.wendangku.net/doc/4310499776.html,

模型几何、控制方程及边界条件 流体流动—岩体 流体流动—裂缝 几何体为一块断裂多孔介质立方体，边长1m。裂缝对流体的透过性远好于岩体，而厚度为0.0001m， 也比岩体的尺度小得多。除了裂缝的边界之外，立方体的其它边界都是不可穿透的。流体在岩体内 从左至右流动，从下表面进入裂缝，从上表面流出。初始时，岩体内的流体并不流动。在模拟过程 中进口边界的压强保持不变，出口边界的压强随着时间降低。模拟时间为1000s。结束模拟之后会做 出数据列表。 中仿科技---专业信息化软件及技术咨询公司https://www.wendangku.net/doc/4310499776.html,

模型数据 Variable Units Description Value θs m3/m3Porosity of matrix blocks0.3 χf s2·m/kg Compressibility of the fluid 4.4·10-10 χs s2·m/kg Compressibility of the fluid10-8 κm m2Permeability of matrix blocks10-11 df m Thickness of the fracture0.0001 Sf s2·m/kg Storage coefficient of the fractureχf κf m2Permeability of fracture10-7 ηkg/m·s Viscosity0.001 gr m/s2Gravity9.82 ρf kg/m3Fluid density1000 pinlet kg/m·s2Pressure at the fracture inlet10e5 poutlet kg/m·s2Pressure at the fracture outlet p0 ?10t p0kg/m·s2Initial pressure distribution10e5 中仿科技---专业信息化软件及技术咨询公司https://www.wendangku.net/doc/4310499776.html,