Flow Simulation流體分析基礎教程—多孔介質（一）

時間:2011-04-09 08:51:37 來源:未知

　在本文中，我們分析汽車排氣管某一管段的流動，這個排氣流動受到兩個用于將有害一氧化碳轉變成二氧化碳的多孔介質阻礙。當設計汽車的催化轉化器時，工程師要在最大化催化器內部表面的同時盡量減小催化器的排氣阻力以及排氣和表面接觸持續(xù)時間兩者之間尋求最佳點。因此，排出的氣體質量流量在整個催化器截面上更為均勻的分布有助于它的使用性。EFD.Lab 中的多孔介質可以仿真每一種催化器，允許你對催化器所占據的空間以分布式的阻力進行仿真，而不是對催化劑內所有獨立通道進行分別仿真，因為這種方式是不符合實際情況甚至是不可能存在的。在這個EFD.Lab 教程例子中我們考慮了催化劑多孔介質滲透類型(對于流動方向上等向性或非等向性的阻力)對整個催化器截面上排出的氣體質量流量的影響。我們會觀察到在排氣后部的流動跡線分布比模型的入口處和穿過多孔介質時來的均勻。此外，依據流體速度對流動跡線賦予顏色，排出流體在多孔催化劑中的阻力可以得到估計，從催化器的效率而言這一點也是很重要的。

　　打開模型

　　1. 復制 First Steps - Porous Media 文件夾到你的工作目錄，此外由于EFD.Lab 在運行時會對其輸入的數據進行存儲，所以必須確保文件處于非只讀狀態(tài)。運行 EFD.Lab。點擊 File，Open。

　　2. 在Open 對話框，瀏覽First Steps - Porous Media 文件夾并且找到 catalyst.SLDASM 組件點擊 Open (或者雙擊這個assembly)。

　　創(chuàng)建 EFD.Lab 項目

　　1. 點擊 Flow Analysis， Project， Wizard。如果已經在向導狀態(tài)，直接選 Create new 以便創(chuàng)建一個新的 assembly 并且命名為 Isotropic。

　　這個項目向導會指導你一步一步完成整個項目的特性定義。除了其中兩步(定義項目流體和默認固體)，其他的每一步都是預先的定義值，所以你可以接受這些默認值(跳過這一步可以直接點擊 Next)或者進行相應的修改。

　　這些預先設定的值是:

　　單位系統(tǒng) – SI，

　　分析類型 – Internal，no additional physical capabilities are considered，

　　壁面狀況 – adiabatic wall，

　　初始條件 – pressure 1 atm，temperature 293.2 K，

　　結果和幾何求解 – level 3，

　　對于這個項目所有的這些設置都是合適的，我們所要做的僅僅是將空氣作為項目的流體。為了避免經過每一個向導界面，我們將使用 Navigator 面板，它可以使我們快速的訪問向導頁。

　　2. 點擊右側的箭頭。

　　3. 在 Navigator 面板，點擊 Fluids。

　　4. 打開 Gases 文件夾，點擊 Air，接著點擊 Add。

　　5. 由于我們沒有必要更改其他的特性，所以我們可以通過點擊Navigator 面板上的 Finish 來關閉向導。

　　你可以在任何時候點擊完成，但如果你想在沒有定義完所有必須定義的特性(諸如項目流體)之前關閉向導，這個向導將不能關閉并且在這個未做定義的向導頁會出現一個感嘆圖標 .

　　現在 EFD.Lab 利用賦值數據的方式創(chuàng)建了一個新的例子。

　　在 EFD.Lab 分析樹，右擊 Computational Domain 圖標并且選擇 Hide來隱藏計算域黑色線框。

　　定義邊界條件

　　1. 在 EFD.Lab 分析樹，右擊 Boundary Conditions 圖標并選擇 Insert Boundary Condition 。

　　2. 如圖顯示選擇入口蓋子的內表面。

　　3. 選擇 Flow openings 和 Inlet Velocity。

　　4. 設置 Velocity Normal to Face 為 10 m/s。

　　5. 點擊 OK 。

　　隨著剛才所做的定義，我們告訴 EFD.Lab在這個開口處空氣以10 m/s的速度流進催化器。

　　6. 如圖所示選擇出口蓋子的內表面。

　　7. 右擊 Boundary Conditions 圖標并且選擇 Insert Boundary Condition。

　　8. 選擇 Pressure openings 和 Static Pressure。

　　9. 點擊 OK 。

　　隨著剛才所做的定義，我們告訴 EFD.Lab 在這個開口處流體離開模型進入到一個大氣壓的區(qū)域。

　　現在我們可以在這個項目中定義多孔介質。定義一個多孔介質，首先我們需要在 Engineering Database 中定義多孔介質的特性(多孔性，滲透類型等)之后應用這一多孔介質到你的組件元件中。

　　創(chuàng)建一個等向性的多孔介質

　　你想要創(chuàng)建的材料已經在Engineering Database下的Pre-Defined文件夾中得到了定義。你也可以跳過多孔介質材料的定義，以后需要創(chuàng)建多孔介質特性時，直接從工程數據庫中選擇預定義的"Isotropic" 材料。

　　1. 點擊 Flow Analysis，Tools，Engineering Database。

　　2. 在 Database tree 選擇 Porous Media， User Defined。

　　3. 點擊工具欄上的 New Item 。這個空白 Item Properties 頁出現。雙擊空白格去設定相應的特性值。

　　4. 命名這個新的多孔介質為 Isotropic。

　　5. 在 Comment，點擊按鈕并且輸入對這個多孔介質的注釋。這個 Comment 特性是可選擇的，你也可以不做任何注釋。

　　6. 設定這個介質的 Porosity 為 0.5。

　　首先讓我們分析一下 Isotropic 滲透性，也就是在介質內部其滲透性和方向無關。之后，作為一個選擇，我們可以分析一下 Unidirectional 滲透性，也就是這個介質僅僅在某一個方向上具有滲透性。

　　7. 對 Permeability type 選擇 Isotropic。

　　首先我們來考慮一個 Isotropic 型滲透，也就是在介質內部其滲透性不會隨著方向改變。之后，我們考慮一個Unidirectional 型滲透，也就是只能在一個方向上進行滲透。

　　8. 選擇 Pressure drop， Flowrate， Dimensions 作為 Resistance calculation formula。

　　對于我們的介質，我們選擇對流體為 Pressure Drop，Flowrate， Dimensions 的介質阻力,舉例,定義多孔介質的阻力為 k =P×S /(m×L) ( s-1),這里右側的參數是根據平行六面體多孔介質測試得出，在選擇樣品的方向上其中S 是截面積而L 是長度，由于在這一方向上進出口的壓力差所產生的通過樣品的質量流量等于 m。

　　在這個項目中我們指定P = 20 Pa, m = 0.01 kg/s (P = 0 Pa,m=0 kg/s), S = 0.01 m2,L = 0.1m.因此,k = 200 s-1。

　　已知的催化劑 S 和 L 輸入到模型中和流過它的 m,你可以通過?P= k?m?L/S 大致的估計出在催化劑模型中壓力的損失。

　　9. 從 Pressure drop vs.flowrate 選擇 Mass Flow Rate。

　　10. 點擊按鈕轉換到Tables and Curves 頁。

　　11. 如圖所示在 Property 表格定義壓降和質量流量之間的線性關系(0kg/s，0Pa)(0.01kg/s，20Pa)。

　　12. 返回到 Item Properties 頁。

　　13. 設定 Length 為 0.1 m 并且Area 為0.01 2 m 。

　　14. 點擊 Save 。

　　15. 點擊 File，Exit 退出數據庫。

　　現在我們將應用定義的多孔介質到仿真模型中。

　　多孔介質僅僅應用于 EFD.Lab 不能將其作為固體處理的元件。通常情況下，分析一個不是固體屬性區(qū)域的元件，你需要在 Component Control 對話框中關閉元件。當你通過創(chuàng)建 Porous Medium 特性對一個元件設定為多孔介質，這個元件會自動的關閉，所以我們不需要手動關閉它們。

　　定義多孔介質-等向性

　　1. 點擊 Flow Analysis，Insert，Porous Medium。

　　2. 在特性管理設計樹中選擇Monolith<1> 和 Monolith<2> 元件。