Представляем модуль «Течения в пористых средах»

Во многих отраслях науки и техники возникает необходимость комплексного моделирования процессов в пористых средах. Модуль расширения «Течения в пористых средах», который появился в составе среды численного моделирования COMSOL Multiphysics®, начиная с версии 5.5, предназначен для решения именно таких задач. Модуль позволит пользователям проводить количественные исследования переноса массы, импульса и энергии в пористых средах. Область применения этого модуля включает моделирование явлений переноса в топливных элементах, моделирование сушки бумаги и пульпы, анализ процессов в пищевой промышленности, моделирование фильтрации и многих других явлений.

Моделирование течений в пористых средах

Моделирование переноса массы, импульса и энергии в пористой среде — это стандартная задача во многих областях инженерной науки, например, в химических технологиях, гражданском и энергетическом строительстве. Модуль «Течения в пористых средах» предлагает исчерпывающий набор математических моделей и физических интерфейсов, которые помогут инженерам и ученым моделировать различных физические явления в пористой среде.

Модель промерзания грунта, построенная с помощью инструментов модуля «Течения в пористых средах».

Модуль «Течения в пористых средах» позволяет инженерам, работающим в самых разных областях промышленности, таких как добыча полезных ископаемых, биомедицинские технологии и пищевая промышленность, анализировать и оптимизировать физические процессы с помощью удобной среды моделирования. Такие задачи, как моделирование многофазных течений в пористой среде, могут быть решены в рамках полноценного мультифизического анализа.

Используя мультфизические инструменты моделирования, представленные в модуле «Течения в пористых средах», можно проводить расчеты:

• неизотермических течений в пористых средах
• эффективных (эквивалентных) свойств многокомпонентных систем
• явлений пороупругости
• переноса влаги и химических компонентов.

Давайте чуть более подробно рассмотрим несколько возможных применений модуля…

Многофазное течение в пористой среде

Модуль «Течения в пористых средах» содержит инструменты, с помощью которых можно моделировать многофазные течения в пористой среде, при этом количество фаз может быть любым. Пользователь может задать свойства пористой среды, а именно коэффициенты относительной проницаемости и капиллярные давления, и смоделировать растекание, перенос влаги или другие явления переноса в пористой среде.

Модель растекания влаги в бумажной полоске.

При соприкосновении с жидкостью полоска сухой бумаги будет абсорбировать ее в результате действия капиллярных сил. Абсорбция прекратится только когда вес поглощенной жидкости будет уравновешен капиллярными силами. В этом примере взаимодействие двух фаз – воды и воздуха – описано с помощью комбинации интерфейсов Darcy’s Law и Phase Transport in Porous Media.

Нелинейные течения в пористой среде

В предыдущей публикации блога мы обсудили физические интерфейсы, которые используются для моделирования течений в насыщенной пористой среде и среде с переменной насыщенностью, в том числе интерфейсы Darcy’s Law и Brinkman Equations.

Закон Дарси справедлив при малых значениях скорости фильтрации, то есть при числах Рейнольдса меньше 100. Для более высоких значений скорости и числа Рейнольдса в уравнение сохранения импульса необходимо добавить нелинейную поправку. В модуле «Течения в пористых средах» предусмотрена возможность моделировать нелинейные течения, когда поле скорости связано с градиентом давления нелинейным образом.

Доступные варианты нелинейных поправок для течения в пористой среде включают модели Форхгеймера, Эргуна, Бурке-Пламмера и Клинкенберга, которые можно использовать в интерфейсах Darcy’s Law и Multiphase Flow in Porous Media; а также модели Форхгеймера и Эргуна для интерфейса Brinkman equations.

Равновесные и неравновесные модели переноса теплоты в пористых средах

Теплопередача в пористой среде может осуществляться за счет теплопроводности, конвекции и дисперсии, при этом в расчете необходимо учитывать разные теплофизические свойства твердой фазы и флюида. Модуль «Течения в пористых средах» позволяет моделировать перенос теплоты в пористых структурах, используя два подхода:

1. приближение локального термического равновесия, когда температуры твердой пористой матрицы и заполняющего поры флюида одинаковы в каждой точке
2. неравновесное приближение, когда для твердой и жидкой фазы решаются отдельные уравнения сохранения энергии, при этом крайне важно учесть обмен теплотой между фазами

Модель теплового аккумулятора, в которой учитывается изменение фазового состояния и используется неравновесное приближение.

Течения в трещинах

Моделирование переноса массы, импульса и энергии в трещиноватых пористых средах актуально для химической промышленности, гражданского и энергетического строительства, и во многих других отраслях. В состав модуля «Течения в пористых средах» включены физические интерфейсы, которые позволяют рассчитать поля давления, температуры и концентрации химических компонентов на внутренних границах расчетной области, моделирующей пористую матрицу. Такой подход позволяет сэкономить вычислительные ресурсы, которые бы потребовались для построения расчетной сетки и решения уравнений при описаний трещин конечного, действительного размера.

Результаты моделирования керамического фильтра воды с пористым угольным фильтрующим элементом.

Керамические фильтры воды нашли широкое применение для очистки питьевой воды от химических примесей и твердых частиц. Благодаря малому размеру пор керамического фильтра из воды удаляются крупные частицы и бактерии, а активированный уголь позволяет удалить из воды тяжелые металлы и хлор. Возникновение трещин в керамическом сердечнике может привести к снижению качества очистки питьевой воды.

Фазовые переходы в пористой среде

Помимо прочего, модуль «Течения в пористых средах» содержит специальный интерфейс для моделирования фазовых переходов в пористой среде. Типичными примерами фазовых переходов являются плавление льда или испарение и конденсация пара в строительных материалах.

Дальнейшие шаги

Узнайте больше о функциях моделирования переноса массы, импульса и энергии в пористых средах с помощью модуля «Течения в пористых средах», кликнув по ссылке: