Stoff-, Impuls- und Energietransport in porösen Medien modellieren

Detailansicht eines gefrorenen Einschlussmodells, bei dem der Eisblock als hellgrauer Zylinder dargestellt ist.

Eine detaillierte Ansicht eines geothermischen Dublettenmodells in der Farbpalette Heat Camera.

Detailansicht von vier Schnelltestmodellen mit einem roten Tröpfchen, das in den oberen Test eintritt.

Detailaufnahme eines mikroskopischen Porenstrukturmodells mit blauen und magentafarbenen Stromlinien.

Optimieren Sie verschiedenste industrielle Prozesse

Der Bedarf nach anspruchsvoller Modellierung poröser Medien erstreckt sich über viele Branchen und Anwendungen, wie beispielsweise die Pharma- und Lebensmittelindustrie. Das Porous Media Flow Module hilft Ingenieuren und Wissenschaftlern der Agrar-, Chemie-, Bau- und Nuklearindustrie, Strömungen in porösen Medien zu analysieren und ihre Designs und Prozesse zu optimieren.

Bei der Modellierung von Nanomaterialien, porösen Reaktoren, der Kühlung von elektronischen Bauteilen und großflächigen geotechnischen Anwendungen können die Auswirkungen poröser Medien auf Transportprozesse mit Hilfe der Simulation erfasst werden. COMSOL Multiphysics^® bietet ein umfassendes Set von Modellierungswerkzeugen in Form von Physik-Interfaces, die automatisch die Gleichungen aufstellen und lösen, welche für Ihre modellierten Strömungen in porösen Medien spezifisch sind.

Features und Funktionen im Porous Media Flow Module

Das Porous Media Flow Module bietet spezielle Features und Funktionen, die speziell auf Prozesse in porösen Medien zugeschnitten sind.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Layered Darcy's Law Interface und dem resultierenden Druckdiagramm für ein dünnes poröses Schichtmodell.

Langsame Strömung in porösen Medien

Das Darcy-Gesetz beschreibt die Bewegung von Fluiden durch Zwischenräume in einem vollständig gesättigten porösen Medium, die hauptsächlich durch einen Druckgradienten angetrieben wird, wobei der Impulstransport aufgrund von Scherspannungen im Fluid vernachlässigbar ist. Das Darcy's Law Interface berechnet den Druck, und das Geschwindigkeitsfeld wird dann durch den Druckgradienten, die Viskosität des Fluids und die Permeabilität bestimmt. Das Layered Darcy's Law Interface kann für die Simulation von Fluiden durch Zwischenräume in geschichteten porösen Medien, wie z.B. Pappe, Verbundstoffe oder Sperrholz, verwendet werden.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten des Richards'schen Gleichungsmodells und Schnellerkennungstests im Grafikfenster.

Teilweise gesättigte Strömung in porösen Medien

Die Richards-Gleichung beschreibt die Fluidströmung durch ein teilweise gesättigtes poröses Medium und berücksichtigt die Veränderungen der hydraulischen Eigenschaften, wenn Fluide einige Poren füllen und aus anderen abfließen. Das Interface Richards' Equation enthält integrierte Modelle zur Retention von Fluiden zwischen denen Sie wählen können, wie z.B. das van-Genuchten- oder das Brooks-Corey-Modell. Ähnlich wie bei dem Interface Darcy's Law wird nur der Druck berechnet. Die Richards-Gleichung ist nichtlinear, da die hydraulischen Eigenschaften je nach Sättigung variieren, was ihre Lösung ohne Berechnungssoftware schwierig machen kann.

Nahansicht des Model Builders mit ausgewähltem Knoten Fluid- und Spalteigenschaften und einem Keramik-Wasserfiltermodell im Grafikfenster.

Spaltströmung

Spalten innerhalb eines porösen Mediums beeinflussen die Strömungseigenschaften durch die poröse Matrix. Das Fracture Flow Interface löst nach dem Druck an inneren (2D) Rändern innerhalb einer 3D-Matrix, basierend auf einer benutzerdefinierten Apertur. Der berechnete Druck wird automatisch mit der Physik gekoppelt, die die Strömung des porösen Mediums in der umgebenden Matrix beschreibt. Diese Näherung spart Zeit und Rechenressourcen bei der Vernetzung der Spalten.

Mehrphasenströmung in porösen Medien

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

Poroelastizität

Verdichtung und Quellung können mit einem speziellen physikalischen Interface für Poroelastizität modelliert werden, das eine instationäre Formulierung des Darcy-Gesetzes mit einem linear-elastischen Materialmodell der porösen Matrix kombiniert. Die Fluidströmung wirkt sich auf die Kompressibilität des porösen Mediums aus, während Änderungen der volumetrischen Dehnungen wiederum den Impuls-, Material- und Wärmetransport beeinflussen. Um diese Effekte zu nutzen, enthält das Multiphysik-Interface Poroelasticity einen Ausdruck des Spannungstensors als Funktion der Volumendehnung und des Biot-Willis-Koeffizienten.

Ebenfalls verfügbar ist das Multiphysics Interface Poroelasticity, Layered Shell, das die Modellierung von mehrschichtigen Strukturen (Pappen, Verbundwerkstoffe usw.) mit unterschiedlichen Materialeigenschaften jeder Schicht ermöglicht.

Nahansicht des Model Builders mit ausgewähltem Transport Properties Interface und einem porösen Reaktormodell im Grafikfenster.

Transport chemischer Spezies in porösen Medien und Spalten

Die COMSOL Multiphysics^® Simulationssoftware enthält intuitive Funktionen zur Definition des Stofftransports in verdünnten Lösungen oder Mischungen durch Konvektion, Diffusion, Dispersion, Adsorption und Verdampfung einer beliebigen Anzahl chemischer Spezies. Durch die Kombination des Porous Media Flow Module mit dem Chemical Reaction Engineering Module können diese leicht mit Definitionen von reversiblen, irreversiblen und Gleichgewichtsreaktionskinetiken verbunden werden. Mit dem Porous Media Flow Module können Sie diese Funktionalität auf poröse Medien und Spalten erweitern.

Nahansicht des Model Builders mit ausgewähltem Brinkman Equation Interface und einem regenbogenfarbenen Modell eines porösen Mediums im Grafikfenster.

Schnelle Strömung in porösen Medien

Die Brinkman-Gleichungen beschreiben schnell fließende Fluide in porösen Medien, wobei das kinetische Potential aus der Geschwindigkeit des Fluids, der Druck und die Schwerkraft die Strömung antreiben. Das Interface für die Brinkman-Gleichungen verallgemeinert das Darcy-Gesetz, um die Dissipation der kinetischen Energie durch viskose Scherung zu berechnen, ähnlich wie bei den Navier-Stokes-Gleichungen.

Eine Nahaufnahme der Einstellungen für Fluid- und Matrixeigenschaften sowie des Grafikfensters mit einem Festbett-Latentwärmespeicher.

Nicht-Darcysche Strömung

Das Darcy-Gesetz und die Brinkman-Korrektur des Darcy-Gesetzes gelten nur, wenn die interstitielle Geschwindigkeit in den Poren so niedrig ist, dass die Annahme einer Kriechströmung gilt. Für höhere interstitielle Geschwindigkeiten kann eine zusätzliche nichtlineare Korrektur in die Impulsgleichung aufgenommen werden. Es gibt mehrere Permeabilitätsmodelle für die Modellierung nicht-Darcyscher Strömungen in porösen Medien: Das Interface Brinkman Equations umfasst die Modelle Forchheimer und Ergun, und die Interfaces Darcy's Law und Multiphase Flow in Porous Media umfassen die Modelle Forchheimer, Ergun, Burke-Plummer und Klinkenberg.

Eine Nahaufnahme des Model Builders, der obere Teil eines orangefarbenen und gelben rechteckigen Modells und der obere linke Teil einer Leistungsgrafik.

Wärmetransport in porösen Medien

Der Wärmetransport in porösen Medien erfolgt durch Leitung, Konvektion und Dispersion. Die Dispersion wird durch den gewundenen Weg der Flüssigkeit im porösen Medium verursacht, der nicht beschrieben werden kann, wenn nur der durchschnittliche Konvektionsterm in Betracht gezogen wird. In vielen Fällen kann die feste Phase aus mehreren Materialien mit unterschiedlicher Leitfähigkeit bestehen, und es kann auch eine Reihe unterschiedlicher Fluide vorhanden sein. Das Interface Heat Transfer in Porous Media berücksichtigt diese Faktoren automatisch, und es werden Mischungsregeln zur Berechnung der effektiven Wärmetransporteigenschaften bereitgestellt.

Um ein lokales thermisches Nichtgleichgewicht zu modellieren, können die separaten Gleichungen für die Temperaturfelder des Fluids und der porösen Matrix einfach gekoppelt werden, um den Wärmetransport am Fluid-Festkörper Interface in den Poren zu berücksichtigen.

Eine Nahaufnahme der Wärme- und Feuchtigkeitseinstellungen mit erweitertem Abschnitt "Gekoppelte Interfaces" und einem Holzrahmenmodell im Grafikfenster.

Wärme- und Feuchtigkeitstransport

Der Wärme- und Feuchtigkeitstransport in Papier, Holz und anderen porösen Materialien ist für die Konstruktion von Gebäudekomponenten und Verpackungen von entscheidender Bedeutung. Das multiphysikalische Interface Heat and Moisture Flow dient der Simulation von Wärmetransport und Feuchtigkeitstransport, wobei die Eigenschaften von Fluiden von der Dampfkonzentration abhängen können.

Darüber hinaus gibt es Werkzeuge zur Analyse von Wasserkondensation und Verdunstung auf Oberflächen sowie spezielle Funktionen zur Analyse von Wärme- und Feuchtespeicherung, Effekte durch latente Wärme, sowie Diffusion und Transport von Feuchtigkeit.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Creeping Flow und Teilen von zwei Strömungsmodellen mit Kriechströmung und porösen Medien.

Laminare und Kriechströmung

Für maximale Flexibilität bietet das Porous Media Flow Module die Möglichkeit, sowohl die Strömung in freien als auch in porösen Medien zu simulieren. Mit den Interfaces Laminar Flow und Creeping Flow lassen sich instationäre und stationäre Strömungen bei relativ niedrigen Reynoldszahlen modellieren. Die Viskosität eines Fluids kann von der lokalen Zusammensetzung und Temperatur oder von jeder anderen Feldgröße abhängen, die in Verbindung mit der Strömung des Fluids modelliert wird.

Eine Nahaufnahme der Einstellungen für die Fluid- und Matrixeigenschaften mit dem entsprechenden erweiterten Abschnitt und einem 1D-Diagramm im Grafikfenster.

Erweiterte Optionen für freie Strömung

Wenn Sie das Porous Media Flow Module mit dem CFD Module oder Polymer Flow Module kombinieren, können Sie auch nicht-Newtonsche Fluide wie Power Law, Carreau und Bingham einbeziehen. Im Allgemeinen können Dichte, Viskosität und Impulsquellen beliebige Funktionen von Temperatur, Zusammensetzung, Schergeschwindigkeit und jeder anderen abhängigen Variable sowie Ableitungen von abhängigen Variablen sein.

Darüber hinaus können Sie mit dem CFD Module die schnelle Strömung in porösen Medien mit freier turbulenter Strömung kombinieren.

Porous Media Flow Module

Optimieren Sie verschiedenste industrielle Prozesse