Flow Simulation流體分析基礎(chǔ)教程—多孔介質(zhì)（一）

時(shí)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(dòng)，這個(gè)排氣流動(dòng)受到兩個(gè)用于將有害一氧化碳轉(zhuǎn)變成二氧化碳的多孔介質(zhì)阻礙。當(dāng)設(shè)計(jì)汽車的催化轉(zhuǎn)化器時(shí)，工程師要在最大化催化器內(nèi)部表面的同時(shí)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(shí)間兩者之間尋求最佳點(diǎn)。因此，排出的氣體質(zhì)量流量在整個(gè)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(zhì)可以仿真每一種催化器，允許你對(duì)催化器所占據(jù)的空間以分布式的阻力進(jìn)行仿真，而不是對(duì)催化劑內(nèi)所有獨(dú)立通道進(jìn)行分別仿真，因?yàn)檫@種方式是不符合實(shí)際情況甚至是不可能存在的。在這個(gè)EFD.Lab 教程例子中我們考慮了催化劑多孔介質(zhì)滲透類型(對(duì)于流動(dòng)方向上等向性或非等向性的阻力)對(duì)整個(gè)催化器截面上排出的氣體質(zhì)量流量的影響。我們會(huì)觀察到在排氣后部的流動(dòng)跡線分布比模型的入口處和穿過多孔介質(zhì)時(shí)來的均勻。此外，依據(jù)流體速度對(duì)流動(dòng)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(jì)，從催化器的效率而言這一點(diǎn)也是很重要的。

　　打開模型

　　1. 復(fù)制 First Steps - Porous Media 文件夾到你的工作目錄，此外由于EFD.Lab 在運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)其輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，所以必須確保文件處于非只讀狀態(tài)。運(yùn)行 EFD.Lab。點(diǎn)擊 File，Open。

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

　　創(chuàng)建 EFD.Lab 項(xiàng)目

　　1. 點(diǎn)擊 Flow Analysis， Project， Wizard。如果已經(jīng)在向?qū)顟B(tài)，直接選 Create new 以便創(chuàng)建一個(gè)新的 assembly 并且命名為 Isotropic。

　　這個(gè)項(xiàng)目向?qū)?huì)指導(dǎo)你一步一步完成整個(gè)項(xiàng)目的特性定義。除了其中兩步(定義項(xiàng)目流體和默認(rèn)固體)，其他的每一步都是預(yù)先的定義值，所以你可以接受這些默認(rèn)值(跳過這一步可以直接點(diǎn)擊 Next)或者進(jìn)行相應(yīng)的修改。

　　這些預(yù)先設(shè)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(jié)果和幾何求解 – level 3，

　　對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目所有的這些設(shè)置都是合適的，我們所要做的僅僅是將空氣作為項(xiàng)目的流體。為了避免經(jīng)過每一個(gè)向?qū)Ы缑?，我們將使?Navigator 面板，它可以使我們快速的訪問向?qū)ы摗?/p>

　　2. 點(diǎn)擊右側(cè)的箭頭。

　　3. 在 Navigator 面板，點(diǎn)擊 Fluids。

　　4. 打開 Gases 文件夾，點(diǎn)擊 Air，接著點(diǎn)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(diǎn)擊Navigator 面板上的 Finish 來關(guān)閉向?qū)А?/p>

　　你可以在任何時(shí)候點(diǎn)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(xiàng)目流體)之前關(guān)閉向?qū)?，這個(gè)向?qū)⒉荒荜P(guān)閉并且在這個(gè)未做定義的向?qū)ы摃?huì)出現(xiàn)一個(gè)感嘆圖標(biāo) .

　　現(xiàn)在 EFD.Lab 利用賦值數(shù)據(jù)的方式創(chuàng)建了一個(gè)新的例子。

　　在 EFD.Lab 分析樹，右擊 Computational Domain 圖標(biāo)并且選擇 Hide來隱藏計(jì)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(biāo)并選擇 Insert Boundary Condition 。

　　2. 如圖顯示選擇入口蓋子的內(nèi)表面。

　　3. 選擇 Flow openings 和 Inlet Velocity。

　　4. 設(shè)置 Velocity Normal to Face 為 10 m/s。

　　5. 點(diǎn)擊 OK 。

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

　　6. 如圖所示選擇出口蓋子的內(nèi)表面。

　　7. 右擊 Boundary Conditions 圖標(biāo)并且選擇 Insert Boundary Condition。

　　8. 選擇 Pressure openings 和 Static Pressure。

　　9. 點(diǎn)擊 OK 。

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

　　現(xiàn)在我們可以在這個(gè)項(xiàng)目中定義多孔介質(zhì)。定義一個(gè)多孔介質(zhì)，首先我們需要在 Engineering Database 中定義多孔介質(zhì)的特性(多孔性，滲透類型等)之后應(yīng)用這一多孔介質(zhì)到你的組件元件中。

　　創(chuàng)建一個(gè)等向性的多孔介質(zhì)

　　你想要?jiǎng)?chuàng)建的材料已經(jīng)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(zhì)材料的定義，以后需要?jiǎng)?chuàng)建多孔介質(zhì)特性時(shí)，直接從工程數(shù)據(jù)庫中選擇預(yù)定義的"Isotropic" 材料。

　　1. 點(diǎn)擊 Flow Analysis，Tools，Engineering Database。

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

　　3. 點(diǎn)擊工具欄上的 New Item 。這個(gè)空白 Item Properties 頁出現(xiàn)。雙擊空白格去設(shè)定相應(yīng)的特性值。

　　4. 命名這個(gè)新的多孔介質(zhì)為 Isotropic。

　　5. 在 Comment，點(diǎn)擊按鈕并且輸入對(duì)這個(gè)多孔介質(zhì)的注釋。這個(gè) Comment 特性是可選擇的，你也可以不做任何注釋。

　　6. 設(shè)定這個(gè)介質(zhì)的 Porosity 為 0.5。

　　首先讓我們分析一下 Isotropic 滲透性，也就是在介質(zhì)內(nèi)部其滲透性和方向無關(guān)。之后，作為一個(gè)選擇，我們可以分析一下 Unidirectional 滲透性，也就是這個(gè)介質(zhì)僅僅在某一個(gè)方向上具有滲透性。

　　7. 對(duì) Permeability type 選擇 Isotropic。

　　首先我們來考慮一個(gè) Isotropic 型滲透，也就是在介質(zhì)內(nèi)部其滲透性不會(huì)隨著方向改變。之后，我們考慮一個(gè)Unidirectional 型滲透，也就是只能在一個(gè)方向上進(jìn)行滲透。

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

　　對(duì)于我們的介質(zhì)，我們選擇對(duì)流體為 Pressure Drop，F(xiàn)lowrate， Dimensions 的介質(zhì)阻力,舉例,定義多孔介質(zhì)的阻力為 k =P×S /(m×L) ( s-1),這里右側(cè)的參數(shù)是根據(jù)平行六面體多孔介質(zhì)測(cè)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(jìn)出口的壓力差所產(chǎn)生的通過樣品的質(zhì)量流量等于 m。

　　在這個(gè)項(xiàng)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(jì)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(diǎn)擊按鈕轉(zhuǎn)換到Tables and Curves 頁。

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

　　12. 返回到 Item Properties 頁。

　　13. 設(shè)定 Length 為 0.1 m 并且Area 為0.01 2 m 。

　　14. 點(diǎn)擊 Save 。

　　15. 點(diǎn)擊 File，Exit 退出數(shù)據(jù)庫。

　　現(xiàn)在我們將應(yīng)用定義的多孔介質(zhì)到仿真模型中。

　　多孔介質(zhì)僅僅應(yīng)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(gè)不是固體屬性區(qū)域的元件，你需要在 Component Control 對(duì)話框中關(guān)閉元件。當(dāng)你通過創(chuàng)建 Porous Medium 特性對(duì)一個(gè)元件設(shè)定為多孔介質(zhì)，這個(gè)元件會(huì)自動(dòng)的關(guān)閉，所以我們不需要手動(dòng)關(guān)閉它們。

　　定義多孔介質(zhì)-等向性

　　1. 點(diǎn)擊 Flow Analysis，Insert，Porous Medium。

　　2. 在特性管理設(shè)計(jì)樹中選擇Monolith<1> 和 Monolith<2> 元件。