A packed-bed latent heat storage tank model with the flow visualized as streamlines.

Modellieren Sie den Stoff-, Impuls- und Energietransport in porösen Medien mit dem Porous Media Flow Module

Optimierung einer Vielzahl industrieller Prozesse

Analysieren und optimieren Sie Prozesse in der Pharma-, Biomedizin-, Lebensmittel- und anderen Industrien mit dem Porous Media Flow Module, einem Add-on zur COMSOL Multiphysics® Software. Modellieren Sie Transportphänomene in porösen Medien nach dem Darcy-Gesetz, einschließlich eines variabel gesättigten Durchflusses in porösen Medien. Zu den fortgeschritteneren Modellen gehören die schnelle Strömung mit den Brinkman-Gleichungen, der Mehrphasen-Transport, die Strömung in Rissen oder Non-Darcian Strömung. Für die realistischsten und genauesten Modelle beinhalten die multiphysikalischen Möglichkeiten nicht-isotherme Strömungen in porösen Medien, effektive Eigenschaften für Mehrkomponentensysteme, Poroelastizität und den Transport von Feuchtigkeit und chemischen Stoffen.

Was Sie mit dem Porous Media Flow Module modellieren können

Agrar-, Chemie-, Bau- und Nukleartechniker und Wissenschaftler müssen alle unterschiedliche Arten von Prozessen in porösen Medien simulieren, weshalb das Porous Media Flow Module ein umfassendes Set von Modellierungswerkzeugen in diesem Bereich bereitstellt. Diese Werkzeuge sind in Physik-Interfaces zusammengefasst, die automatisch die für eine Fragestellung typischen spezifischen Gleichungen einrichten und lösen.

Langsame Strömung in porösen Medien

Das Darcy-Gesetz beschreibt die Fluidbewegung durch Zwischenräume in einem vollständig gesättigten porösen Medium, die hauptsächlich durch einen Druckgradienten angetrieben wird, wobei der Impulstransport aufgrund von Scherspannungen in der Flüssigkeit vernachlässigbar ist. Das Darcy's Law Interface berechnet den Druck, und das Geschwindigkeitsfeld wird dann durch den Druckgradienten, die Viskosität und die Permeabilität bestimmt.

Ein Eisblock (weiß) wird in einem porösen Medium modelliert und der Schmelzprozess als Stromlinien mit Pfeilen und Isoflächen in einem Farb-Gradienten von pfirsichfarben nach weiß visualisiert. Schmelzvorgang von Eis in einem porösen Medium

Schnelle Strömung in porösen Medien

Die Brinkman-Gleichungen berücksichtigen schnell fließende Fluide in porösen Medien mit dem kinetischen Potenzial aus Strömungsgeschwindigkeit, Druck und Schwerkraft, welche die Strömung antreiben. Das Brinkman Equations Interface verallgemeinert das Darcy-Gesetz, um die Dissipation kinetischer Energie durch viskose Scherung zu berechnen, ähnlich wie bei den Navier-Stokes-Gleichungen.

Teilgesättigte Strömung in porösen Medien

Die Richards-Gleichung beschreibt die Bewegung von Wasser in teilweise gesättigten porösen Medien und berücksichtigt die Veränderungen der hydraulischen Eigenschaften, wenn Flüssigkeiten durch das poröse Medium strömen, einige Poren füllen und andere entwässern. Das Richards' Equation Interface enthält eine Auswahl integrierter Fluid-Retentionsmodelle, wie z.B. die van Genuchten oder Brooks-Corey Modelle. Ähnlich wie beim Darcy's Law Interface wird nur der Druck berechnet. Die Richards-Gleichung ist nichtlinear, da die hydraulischen Eigenschaften je nach Sättigung variieren, was es schwierig machen kann, sie ohne Berechnungssoftware zu lösen.

Spaltströmung

Spalten innerhalb eines porösen Mediums beeinflussen die Fließeigenschaften durch die poröse Matrix. Das Fracture Flow Interface löst den Druck auf Innenflächen (2D) innerhalb einer 3D-Matrix, basierend auf einer benutzerdefinierten Öffnungsweite. Der berechnete Druck wird automatisch mit der Physik gekoppelt, die die Strömung durch poröse Medien in der umgebenden Matrix beschreibt, eine Annäherung, die Zeit und Rechenressourcen spart, die ansonsten bei der Vernetzung solcher Spalte anfallen würden.

Zwei nebeneinander liegende Modelle eines keramischen Wasserfilters, bei denen einer intakt ist und der andere einen Riss aufweist, der in Magenta dargestellt ist. Keramische Wasserfilter

Wärme- und Feuchtigkeitstransport

Das Wärme- und Feuchtigkeitsmanagement in Papier, Holz und anderen porösen Materialien ist für die Gestaltung von Bauteilen und Konsumgüterverpackungen von entscheidender Bedeutung. Das Multiphysik-Interface Laminar Heat and Moisture Flow wird verwendet, um den Wärmetransport und den Feuchtigkeitstransport zu simulieren, wobei die Fluideigenschaften von der Dampfkonzentration abhängen können.

Darüber hinaus gibt es Werkzeuge zur Analyse der Kondensation und Verdampfung von Wasser auf Oberflächen sowie spezielle Funktionen zur Analyse von Wärme- und Feuchtigkeitsspeicherung, latenten Wärmeeffekten sowie Diffusion und Transport von Feuchtigkeit.

Wärmetransport in porösen Medien

Der Wärmetransport in porösen Medien erfolgt durch Wärmeleitung, Konvektion und Dispersion. Die Dispersion wird durch den gewundenen Weg der Flüssigkeit im porösen Medium verursacht, der nicht beschrieben werden würde, wenn nur der Mittelwert des konvektiven Termins berücksichtigt würde. In vielen Fällen kann die Festphase aus mehreren Materialien mit unterschiedlicher Leitfähigkeit bestehen, und es kann auch eine Reihe verschiedener Fluide geben. Das Interface Heat Transfer in Porous Media berücksichtigt diese Faktoren automatisch, und es werden Mischregeln zur Berechnung der effektiven Wärmetransporteigenschaften bereitgestellt.

Um lokales thermisches Ungleichgewicht zu modellieren, können Sie das integrierte Multiphysik-Interface Local Thermal Nonequilibrium verwenden, das separate Gleichungen für die Temperaturfelder der Fluide und porösen Matrix mit einer Kopplung implementiert, um den Wärmeübergang an der Fluid-Feststoff-Schnittstelle in den Poren zu berücksichtigen.

Ein graues Modell eines Latentwärmespeichers mit Paraffinfüllung und der blau dargestellten Festphase und der gelb dargestellten Flüssigphase. Durchströmen eines Schüttbett-Latentwärmespeichers
Die COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche mit dem Model Builder, den Oberflächeneigenschaften und einem porösen Mikrokanal-Kühlkörper-Modell im Grafikfenster. Poröses Mikrokanal-Kühlkörper-Modell, dargestellt in der COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche

Mehrphasenströmung in porösen Medien

Die Funktionalität für den Phasentransport kann mit dem Darcy's Law Interface kombiniert werden, um Mehrphasenströmungen in porösen Medien mit einer beliebigen Anzahl von Phasen zu simulieren. Anwender können poröse Medieneigenschaften wie relative Permeabilitäten und Kapillardrücke zwischen den Phasen festlegen. Diese Eigenschaften werden zwischen den Phasen mit einer Multiphysik-Kopplung übergeben, die das Interface Phase Transport in Porous Media mit dem Interface Darcy's Law verbindet.

Die COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche mit dem Model Builder, dem offenen Einstellungsfenster für die 2D Plot Group und einem Wicking-Papiermodell im Grafikfenster. Wicking-Papiermodell, das in der COMSOL Multiphysics-Benutzeroberfläche angezeigt wird

Non-Darcian Flow

Darcy's Gesetz und Brinkman's Korrektur zu Darcy's Gesetz gelten nur, wenn die interstitielle Geschwindigkeit in den Poren niedrig genug ist, dass die Kriechströmungs-Näherung gilt. Für höhere interstitielle Geschwindigkeiten kann eine zusätzliche nichtlineare Korrektur in die Impulsgleichung einbezogen werden. Die Interfaces Darcy's Law und Brinkman Equations beinhalten nicht-darcianische Optionen für das Permeabilitätsmodell, Forchheimer- und Ergun-Modelle für das Brinkman Equations Interface und Forchheimer-, Ergun-, Burke-Plummer- und Klinkenberg-Modelle für das Darcy's Law und Multiphase Flow in Porous Media Interfaces.

Poroelastizität

Verdichtung und Quellung können mit einem speziellen Physik-Interface für die Poroelastizität modelliert werden, das eine transiente Formulierung von Darcy's Gesetz mit einem linear-elastischen Materialmodell der porösen Matrix kombiniert. Die Fluidströmung beeinflusst die Kompressibilität des porösen Mediums, während Änderungen der volumetrischen Dehnungen wiederum den Impuls-, Stoff- und Wärmetransport beeinflussen. Um diese Effekte zu nutzen, beinhaltet das Multiphysik-Interface Poroelasticity einen Ausdruck des Spannungstensors als Funktion der volumetrischen Dehnung und des Biot-Willis-Koeffizienten.

Laminare and Kriechströmung

Für maximale Flexibilität bietet das Porous Media Flow Module die Möglichkeit, sowohl in freien als auch in porösen Medien zu simulieren. Die Modellierung transienter und stetiger Strömungen bei relativ niedrigen Reynoldszahlen ist mit den Interfaces Laminar Flow und Creeping Flow möglich. Eine Fluidviskosität kann von der lokalen Zusammensetzung und Temperatur oder einer anderen Größe abhängen, die in Kombination mit der Fluidströmung modelliert wird.

In Kombination mit dem CFD Module ist es möglich, nicht-newtonsche Fluidmodelle wie Power Law, Carreau und Bingham einzubeziehen. Im Allgemeinen können Dichte-, Viskositäts- und Impulsquellen beliebige Funktionen von Temperatur, Zusammensetzung, Scherrate und jeder anderen abhängigen Variablen sowie abgeleitete Größen abhängiger Variablen sein.

Die COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche zeigt den Model Builder, die Einstellungen des Creeping Flow Interfaces und die Modelle der porösen Struktur-Einheitszelle und des Festbettreaktors im Grafikfenster. Einheitszellen- und Festbettreaktormodelle

Transport chemischer Spezies in porösen Medien und Spalten

Die COMSOL Multiphysics® Simulationssoftware enthält intuitive Funktionalitäten zur Definition des Stofftransports in verdünnten Lösungen oder Gemischen durch Konvektion, Diffusion, Adsorption und Verdampfung einer beliebigen Anzahl von chemischen Spezies. Diese sind leicht mit Definitionen von reversibler, irreversibler und Gleichgewichtsreaktionskinetik zu verbinden. Mit dem Porous Media Flow Module können Sie diese Funktionalität auf poröse Medien und Spalten erweitern.

Jedes Geschäftsfeld und jeder Simulationsbedarf ist anders. Um zu beurteilen, ob die COMSOL Multiphysics®-Software Ihren Anforderungen entspricht, sollten Sie sich mit uns in Verbindung setzen. Wenn Sie mit einem unserer Vertriebsmitarbeiter sprechen, erhalten Sie personalisierte Empfehlungen und vollständig dokumentierte Beispiele, die Ihnen dabei helfen, eine qualifizierte Bewertung treffen zu können. Sie werden außerdem bei der Auswahl der passenden Lizenzoption für Ihre Bedürfnisse unterstützt. Klicken Sie einfach auf die Schaltfläche "COMSOL kontaktieren", geben Sie Ihre Kontaktdaten sowie Ihre spezifischen Kommentare und Fragen ein und senden Sie diese ab. Sie erhalten innerhalb eines Arbeitstages eine Antwort von einem Vertriebsmitarbeiter.

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