二十、多孔介質(zhì)模型案例
1 ?概念介紹
多孔介質(zhì)就是固體物質(zhì)內(nèi)部和表面有許多孔隙，如海綿等，由固體物質(zhì)組成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所構(gòu)成的物質(zhì)。多孔介質(zhì)內(nèi)的流體以滲流方式運(yùn)動(dòng)。
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Fluent自帶多孔介質(zhì)模型，對(duì)于多孔介質(zhì)的模擬，不考慮流體在多孔介質(zhì)內(nèi)部的流動(dòng)，只考慮多孔介質(zhì)對(duì)于流動(dòng)阻力及能量方程產(chǎn)生的影響。
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2 ?模型描述
本例的模型如圖所示。模型有一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口，入口氣流流速為22.6m/s，中間經(jīng)過(guò)多孔介質(zhì)區(qū)域，出口壓力為0，最后經(jīng)OUTLET流出。
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3 ?導(dǎo)入網(wǎng)格
使用Workbench打開工程文件，文件在本文末尾鏈接資源內(nèi)。
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4 ?Scale網(wǎng)格尺寸
Scale修改網(wǎng)格尺寸。如圖所示。
確保計(jì)算域尺寸是我們所需要的。
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5 ?設(shè)置求解器
選擇壓力基(pressure-based)求解器，同時(shí)選擇穩(wěn)態(tài)模擬。
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6??設(shè)置計(jì)算模型
本例空氣進(jìn)口流速較大為22.6m/s，因此湍流模型選擇為Standard k-e湍流模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。
Standard?k-e湍流模型具有高穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性及精確性，應(yīng)用最為廣泛，但對(duì)于旋流等問題精確性較差。
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不考慮能量方程，因此能量方程保持關(guān)閉
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7??材料設(shè)置
在Materials下，雙擊air材料，彈出如下面板。
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單擊Fluent Database，選擇nitrogen（N2），單擊copy，然后單擊close，N2材料添加成功
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8 設(shè)置計(jì)算域
單擊信息樹Cell Zone Conditions，出現(xiàn)兩個(gè)計(jì)算域分別為fluid和substrate(想要出現(xiàn)多個(gè)計(jì)算域，需要在建模和畫網(wǎng)格時(shí)進(jìn)行一定的設(shè)置)
雙擊Fluid，彈出流體域設(shè)置對(duì)話框，將Material Name改為nitrogen，即將工作流體改為N而不再是空氣，其他設(shè)置保持默認(rèn)。
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接下來(lái)就是多孔介質(zhì)的設(shè)置了，多孔介質(zhì)設(shè)置只需要在計(jì)算域進(jìn)行設(shè)置即可，我們進(jìn)行較為詳細(xì)的講解
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雙擊substrate，彈出流體域設(shè)置對(duì)話框，勾選Porous Zone表明這部分計(jì)算域?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)區(qū)域。
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將Material Name改為nitrogen，表示多孔介質(zhì)中的流體也為N，由于不考慮能量方向，因此不必指定固體域材料
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Laminar Zone：勾選Laminar Zone表明在多孔介質(zhì)區(qū)域中抑制湍流的產(chǎn)生：
如果不勾選，多孔介質(zhì)區(qū)域的固體邊界仿佛對(duì)湍流的產(chǎn)生和耗散沒有影響，這個(gè)假定只有在滲透性很大并且多孔介質(zhì)的幾何尺度對(duì)湍流渦旋的幾何尺度沒有影響的情況下可行
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選擇Porous Zone，出現(xiàn)許多設(shè)置，接下來(lái)我們一一說(shuō)明
Direction -1 Vector和Direction -1 Vector：
多孔介質(zhì)分為各向同性多孔介質(zhì)，指的是多孔介質(zhì)各個(gè)方向的阻力相同。各向異性指各個(gè)方向阻力不同，有的方向流體容易通過(guò)，有的方向流體很難通過(guò)。
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若多孔介質(zhì)為各向同性，此設(shè)置無(wú)意義。但若為各向異性，則方向1矢量表示多孔介質(zhì)的第一個(gè)主方向?yàn)閤方向，方向2矢量表示多孔介質(zhì)的第二個(gè)主方向?yàn)閥方向，第三個(gè)方向與這兩個(gè)方向垂直，不必指定。
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Relative Velocity Resistance Formulation：
當(dāng)坐標(biāo)系未旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系或者動(dòng)網(wǎng)格時(shí)，此選項(xiàng)勾選才有意義。表示計(jì)算阻力是否按照相對(duì)速度計(jì)算。若不是動(dòng)網(wǎng)格，則勾選無(wú)意義。
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Viscous Resistance：
多孔介質(zhì)模型主要是對(duì)流動(dòng)阻力產(chǎn)生影響，因此其會(huì)在動(dòng)量方程中添加動(dòng)量源項(xiàng)來(lái)充當(dāng)阻力。
x方向上的動(dòng)量源項(xiàng)為下圖，第一項(xiàng)為粘性損失項(xiàng)，第二項(xiàng)為慣性損失項(xiàng)。y方向和z方向同理，當(dāng)為各向異性時(shí)，各方向上的粘性阻力系數(shù)可互不相同，慣性阻力系數(shù)也可不同。
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Viscous Resistance表示粘性阻力系數(shù)，方向1表示，方向2表示(y方向粘性阻力系數(shù))，方向3表示(z方向粘性阻力系數(shù))
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Inertial Resistance：
表示慣性阻力系數(shù)，方向1表示，方向2表示(y方向慣性阻力系數(shù))，方向3表示(z方向慣性阻力系數(shù))
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Alternative Formulation：
當(dāng)多孔介質(zhì)為各向異性時(shí)，第一個(gè)方向的阻力系數(shù)與第二個(gè)方向阻力系數(shù)數(shù)量級(jí)上差距較大時(shí)，會(huì)引起收斂問題，勾選此選項(xiàng)可加快收斂。
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Fluid Porosity：
孔隙率，表示流體所占據(jù)的體積分?jǐn)?shù)，影響動(dòng)量和能量方程
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9?設(shè)置邊界條件
inlet：采用velocity-inlet邊界，速度為22.6m/s，在 Turbulence中的 Specification Method中選擇 Intensity and Hydraulic Diameter，在 Turbulent Intensity中填入10，在 Hydraulic Diameter中填入42，單擊OK按鈕確認(rèn)。
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outlet：設(shè)置為pressure-outlet，在 Turbulence中的 Specification Method中選擇 Intensity and Hydraulic Diameter，在 Turbulent Intensity中填入5，在 Hydraulic Diameter中填入42，單擊OK按鈕確認(rèn)。
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wall和substrate-wall：wall邊界，保持默認(rèn)設(shè)置
Porous-in和porous-out：interior
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10 求解方法
選擇Coupled，Gradient欄選擇Green-Gauss Cell Based，動(dòng)量選擇二階迎風(fēng)格式，勾選偽瞬態(tài)選項(xiàng)
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Solution Controls設(shè)置保持默認(rèn)
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11?初始化
選擇標(biāo)準(zhǔn)初始化，Compute From選擇inlet，單擊Initialize，完成初始化
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12?計(jì)算設(shè)置
設(shè)置計(jì)算步長(zhǎng)100步
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13?后處理
速度云圖，選擇y=0面顯示速度云圖
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通過(guò)速度云圖，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)到多孔介質(zhì)時(shí)，流體速度明顯降低，這是因?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)產(chǎn)生阻力的原因
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選擇x=130、165、95等面顯示速度云圖（關(guān)于這些面的創(chuàng)建，我們以后會(huì)專門講解）
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若不勾選多孔介質(zhì)區(qū)域，則速度云圖如下
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