多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟
微尺度多孔介质流体力学模型及数值模拟
微尺度多孔介质流体力学模型及数值模拟近年来，微尺度多孔介质流体力学研究得到了广泛关注，其在石油开采、地下水资源管理、生物医药领域以及环境工程方面具有重要的应用价值。
为了深入理解多孔介质中流体的行为规律，研究人员逐渐发展出了多孔介质流体力学模型，通过数值模拟方法对其进行研究。
多孔介质是由许多孔隙和固体颗粒组成的介质，其内部孔隙结构复杂，以点状、线状和面状形式存在。
流体在多孔介质中的运动行为具有许多特殊性质，如渗流、传质、浸润等。
微尺度多孔介质流体力学模型的建立旨在揭示流体在微观尺度上的运动规律，为多孔介质中的流体行为提供合理的描述和解释。
在微尺度多孔介质流体力学模型的建立中，孔隙网络结构、流体的渗流特性以及固体颗粒的形态都是必须考虑的因素。
许多研究者使用连续介质力学的方法，将多孔介质看作是连续的均质介质，并采用达西定律和达西-布兰科方程来描述流体在孔隙中的渗流行为。
此外，还有一些研究者使用离散介质力学的方法，将多孔介质看作是由离散的颗粒组成的，通过分子动力学模拟等方法研究其流体力学行为。
数值模拟方法在微尺度多孔介质流体力学研究中具有重要的作用。
通过数值模拟可以模拟多孔介质中流体运动的各种细节，如流速分布、压力梯度、渗透率等，有助于进一步了解多孔介质中流体的行为规律。
目前常用的微尺度多孔介质流体力学数值模拟方法主要包括有限元法、格子Boltzmann方法、格子气体自动机方法等。
这些方法能够模拟多孔介质中的非线性流动、多相流动以及多组分传质等复杂现象。
微尺度多孔介质流体力学模型及数值模拟对于多领域的应用具有重要意义。
在石油开采中，通过建立合理的流体力学模型和数值模拟方法，可以预测油田中的渗流路径，优化生产方案，提高采收率。
在地下水资源管理中，能够通过模拟地下水流动规律，分析地下水的开发和利用方式，保护地下水资源。
在生物医药领域中，研究微尺度多孔介质中生物流体的行为规律，有助于设计和优化生物材料、药物传输系统以及人工组织工程。
多孔介质方腔内自然对流影响因素数值模拟
多孔介质方腔内自然对流影响因素数值模拟引言多孔介质方腔内自然对流是一个复杂的物理现象，对于理解和优化多孔介质中的传热传质过程具有重要意义。
本文将通过数值模拟的方法，探讨多孔介质方腔内自然对流的影响因素。
二级标题1三级标题1.1在多孔介质方腔内，自然对流的影响因素之一是温度差异。
温度差异可以通过控制加热或冷却边界条件来实现。
数值模拟可以用来研究不同温度差异对自然对流的影响。
三级标题1.2另一个影响自然对流的因素是多孔介质的渗透率。
渗透率是描述多孔介质中流体流动能力的参数。
通过调整多孔介质的渗透率，可以改变自然对流的强度和方向。
数值模拟可以用来研究不同渗透率对自然对流的影响。
三级标题1.3多孔介质的孔隙结构也会对自然对流产生影响。
孔隙结构可以通过调整多孔介质的孔隙率、孔隙形状和孔隙分布来改变。
数值模拟可以用来研究不同孔隙结构对自然对流的影响。
三级标题1.4流体的物性参数也会对自然对流产生影响。
例如，流体的黏度和密度会影响流体的运动和热传递。
通过改变流体的物性参数，可以调整自然对流的特性。
数值模拟可以用来研究不同流体物性参数对自然对流的影响。
二级标题2三级标题2.1数值模拟方法的选择对于研究多孔介质方腔内自然对流也非常重要。
常用的数值模拟方法包括有限元法、有限差分法和边界元法等。
选择合适的数值模拟方法可以提高模拟结果的准确性和计算效率。
三级标题2.2在进行数值模拟之前，需要建立合适的数学模型。
数学模型应该包括流体流动和热传递的基本方程，以及多孔介质的物理特性参数。
通过合理的模型假设和适当的边界条件，可以准确描述多孔介质方腔内自然对流的行为。
三级标题2.3数值模拟的结果需要进行验证和验证。
验证是指将数值模拟结果与已知的实验数据进行比较，以验证数值模拟的准确性。
验证结果与实验数据吻合良好的模拟可以被认为是可靠的。
验证之后，还可以进行灵敏度分析，以研究不同影响因素对自然对流的影响程度。
三级标题2.4数值模拟的结果可以通过可视化的方法进行展示。
多孔介质流动的直接数值模拟
和压 降． 拟 时 对 填 充 的 圆 柱 粒 子 采 用 了 ２种 几 何 排 列 方 式 ， 模 即直 排 和 叉 排 ． Ｓ直排 模 型 的 压 差 ＤＮ 为 ５． ａ接 近 于采 用 原 始 系 数 Ａ一 １０ Ｂ一１ ７ ３ ５Ｐ ， ５， ． ５的尔 格 方 程 计 算 结 果 ５． ａ 叉 排 模 型 的压 ５ ６Ｐ ． 差 为 ６ ． ａ接 近 于 采用 修 正 系数 Ａ＝ １０ ５ １Ｐ ， ８ ，Ｂ一１ ８ ． Ｏ的 尔 格 方 程 计 算 结 果 ６ ． ａ 对 于 真 实 多 ２ １Ｐ ． 孔介 质材 料 的模 拟 来 说 ， 柱 形 粒 子 叉 排 比直 排 更 为 准 确 ． 圆 因此 ＤＮ Ｓ结 果 确 认 了修 正 系 数 组 （ Ａ一 １０ Ｂ一 １８ ） ８， ． Ｏ 比原 始 系 数 组 （ １０ Ｂ一 １ ７ ） 适 合 尔 格 方 程 模 型 ． 用 文 中推 荐 的 Ｄ Ａ一 ５ ， ． ５更 应 ＮＳ方
（ 武汉 理工 大学 汽 车 工程 学 院” 材 料 复 合 新 技 术 国家 重 点 实 验 室
（ 河 城 魁 北 克 大 学 氢 能 研 究 所 加 拿 大 魁 北 克 三
Ｇｇ Ｈ７ Ａ５ ）
摘 要 ： 于 计 算 流 体 动 力 学 软 件 Ｆｕ ｎ 建 立 了 一 个 二 维 Ｄ 基 ｌｅｔ ＮＳ模 型 ， 究 了多 孔 介 质 中 的 流 动 阻力 研
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多孔介质流动与传热特性的数值模拟与优化
多孔介质流动与传热特性的数值模拟与优化多孔介质是一种具有复杂结构和多尺度特性的材料，广泛应用于工程领域中的流体力学与传热过程。
对多孔介质的流动与传热特性进行准确的数值模拟和优化，对于提高工程设备的效率和性能具有重要意义。
一、多孔介质流动与传热的数值模拟方法多孔介质的数值模拟方法主要包括连续介质模型和离散介质模型。
连续介质模型基于宏观平均方程，将多孔介质看作均匀、各向同性的连续介质，通过求解宏观平均方程，得到多孔介质的宏观流动和传热特性。
离散介质模型则采用微观尺度的方法，将多孔介质看作由许多微观单元组成的离散介质，通过求解微观单元的运动方程，得到多孔介质的微观流动和传热特性。
1.1 连续介质模型连续介质模型是最常用的多孔介质数值模拟方法之一。
在连续介质模型中，多孔介质的宏观流动和传热特性通过求解质量守恒、动量守恒和能量守恒方程得到。
对于流体流动，常用的连续介质模型包括达西-布里兹模型和林布尔格-奥斯特罗姆模型等。
对于传热过程，连续介质模型可以采用经验规则，如埃尔福特数、修正努塞尔数等，进行数值模拟。
1.2 离散介质模型离散介质模型是一种基于微观尺度的多孔介质数值模拟方法。
在离散介质模型中，多孔介质的微观流动和传热特性通过求解微观单元的运动方程得到。
常用的离散介质模型包括网格模型、直接模拟孔隙度、分子动力学模型等。
离散介质模型通常具有更高的计算精度和更丰富的物理细节，但计算复杂度也更高。
二、多孔介质流动与传热特性的数值模拟优化方法多孔介质的数值模拟优化方法主要包括网格优化和参数优化两个方面。
网格优化通过调整计算网格的精细程度和结构，提高数值模拟的计算精度和效率。
参数优化通过调整模型中的各种参数，提高数值模拟的准确性和可靠性。
2.1 网格优化网格优化是提高多孔介质数值模拟精度和效率的重要手段。
传统的网格优化方法包括均匀网格划分、自适应网格划分和多重网格方法等。
近年来，基于人工智能和机器学习的网格优化方法也得到了广泛应用。
论多孔介质中流体流动问题的数值模拟方法
论多孔介质中流体流动问题的数值模拟方法
多孔介质中流体流动问题的数值模拟方法主要有随机网格法、格式积分法、有限体积法和有限元法等。
（1）随机网格法：随机网格法是一种简单的数值模拟方法，
它将多孔介质中的复杂场景抽象成一系列简单的网格单元，并通过网格单元之间的接口，模拟流体在多孔介质中的流动。
（2）格式积分法：格式积分法是一种基于控制面的数值模拟
方法，它通过对多孔介质中的控制面进行积分，可以计算出流体在多孔介质中的流动。
（3）有限体积法：有限体积法是一种基于有限元的数值模拟
方法，它将多孔介质中的复杂场景抽象成一系列有限体积元，通过有限体积元之间的接口，模拟流体在多孔介质中的流动。
（4）有限元法：有限元法是一种基于有限元的数值模拟方法，它将多孔介质中的复杂场景抽象成一系列有限元，通过有限元之间的接口，模拟流体在多孔介质中的流动。
分形多孔介质内导热与流动数值模拟研究
分形多孔介质内导热与流动数值模拟研究一、本文概述随着科学技术的进步，多孔介质在诸多工程领域，如石油化工、能源开发、环保科技以及生物医学等中的应用日益广泛。
多孔介质内导热与流动的研究对于理解这些应用中的热传递和流体动力学行为至关重要。
特别是，分形多孔介质由于其独特的结构和性质，近年来受到了广泛的关注。
分形多孔介质在结构上具有自相似性和空间尺度的不变性，这使得其导热和流动特性与传统多孔介质存在显著不同。
因此，对分形多孔介质内导热与流动的数值模拟研究具有重要的理论价值和应用前景。
本文旨在通过数值模拟的方法，深入研究分形多孔介质内的导热与流动特性。
我们将首先构建分形多孔介质的数学模型，并选择合适的数值方法进行求解。
在此基础上，我们将对分形多孔介质内的导热过程进行详细分析，探究其热传递机制和影响因素。
我们还将对分形多孔介质内的流动行为进行研究，包括流体在多孔介质中的分布、速度和压力等关键参数的变化规律。
通过本文的研究，我们期望能够更深入地理解分形多孔介质内导热与流动的机理，为相关领域的工程应用提供理论支持和技术指导。
我们也希望本研究能够为多孔介质导热与流动数值模拟方法的进一步发展做出贡献。
二、分形多孔介质的数学模型在探讨分形多孔介质内的导热与流动问题时，建立合适的数学模型是至关重要的一步。
分形多孔介质由于其独特的几何结构和复杂的物理特性，使得传统的连续介质模型无法准确描述其内部现象。
因此，我们需要引入分形理论来构建更为精确的数学模型。
分形多孔介质的数学模型主要基于分形几何学和热力学原理。
我们利用分形几何学来描述多孔介质的微观结构。
分形维数作为衡量多孔介质复杂程度的关键参数，能够反映孔隙的大小、形状和分布情况。
通过分形维数，我们可以建立多孔介质的几何模型，从而更准确地描述其内部流体的流动和传热过程。
在热力学方面，我们考虑到多孔介质内部的热量传递和流动过程。
通过引入适当的热传导方程和流动方程，我们可以描述热量在多孔介质中的传递以及流体在孔隙中的流动情况。
多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟
多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟随着现代科技的发展，很多物理现象的研究也随之得到了提高，尤其是在微观尺度下，物质的输运现象引起了许多研究人员的重视，微孔介质中流动的输运现象尤为复杂，经常应用在化工、生物医学等领域。
在这样的情况下，微尺度流动的数值模拟成为了不可或缺的一个部分。
本文将介绍关于多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟的相关内容。
首先，多孔介质是指由许多毫米尺度以上的孔隙和孔道组成的，由于其空隙较小、分布复杂，因此流体在其中的流动现象通常难以直接观测和研究，而直接观测的难度也使得微尺度流动的数值模拟变得更加重要。
在多孔介质中，流体通过孔隙间的相互作用和表面反应会发生诸如吸附、分子扩散等的现象。
其次，微尺度流动主要包括两个方面：微通道内的流动和微孔介质内的渗流。
微通道主要指由微米级别的通道组成的关节，在其中，流体的流动伴随着比较强的摩擦和离子、固相颗粒等的各种反应。
微孔介质内的渗流是指在多孔介质内，流体由于孔隙间的空间限制，流速变化较大，同时还有孔隙间相互作用和表面反应等现象。
最后，数值模拟是研究多孔介质壁面条件下微尺度流动现象的一种有效方式。
数值模拟可以通过数学模型，模拟出流体在多孔介质内的流动、渗流现象，在对比实验结果时可以对分析其对应关系，找到合适的模型参数，优化模型模拟效果，来实现对微尺度流动现象的研究。
通过数值模拟，还能够预测多孔介质的渗透性、孔径以及成分和性质的分布情况等，并为改进相关的技术和方法提供理论参考。
总的来说，多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟，对于理解和研究微尺度流动现象，将起到至关重要的作用。
在未来的研究中，人们还将更加深入地理解多孔介质内的流动、渗流现象，优化数值模拟算法，逐渐建立微尺度流动机理的理论体系，并将其应用于更广泛的领域。
多孔介质中湍流流动的数值模拟
多孔介质中湍流流动的数值模拟大连理工大学硕士学位论文多孔介质中湍流流动的数值模拟姓名：马坤申请学位级别：硕士专业：工程热物理指导教师：解茂昭2020 0601大连理工大学硕士学位论文摘要本文以多孔介质燃烧技术为研究背景，通过数值模拟研究了各种条件下多孔介质内湍流流动特性，主要目的是更系统深入地理解多孔介质内湍流流动的特点及规律，并进一步推动该领域的理论研究及其实际应用。
迄今，多孔介质中湍流的研究，主要有微观模型和宏观模型两种途径。
多孔介质内微观湍流模型是直接将自由流体湍流模型应用于多孔介质内部小尺度孔隙和通道内的流动。
而宏观湍流模型是在宏观尺度上对微观湍流模型取体积平均的结果。
本文采用将微观模型与到宏观模型相结合的方法，首先使用标准ｋ一占湍流模型对简化了的多孔介质的二维模型内的微观流场进行数值模拟；在此基础上，借助两种宏观模型，Ｎ．Ｋ湍流模型和Ｐ．ｄＬ湍流模型同时利用体积平均方法将微观流场计算结果转换为宏观流场的信息，以确定宏观湍流模型中经验系数Ｑ的值以及宏观湍流模型ｋ和占的初始值。
本文的计算以通用ＣＦＤ软件Ｆｌｕｅｎｔ６．２为平台，添加Ｎ．Ｋ湍流模型和Ｐ．ｄＬ湍流模型的自定义函数，对宏观流场进行模拟计算，并对比分析了Ｎ．Ｋ湍流模型和Ｐ—ｄＬ湍流模型。
计算结果表明：微观流场内多孔介质固体骨架物块的形状对多孔介质内湍流流场影响十分显著，正方形的湍动能最大，其次为长方形，圆形，椭圆形；入口雷诺数不变时，随着孔隙率的增大，湍动能水平也随之降低；孔隙率不变时，随着入口雷诺数的增大，湍动能水平也随之增大。
宏观流场内在进口处Ｎ．Ｋ湍流模型和Ｐ．ｄＬ湍流模型的湍动能均迅速下降，并且Ｎ．Ｋ湍流模型对湍流流动的抑制作用小于Ｐ—ｄＬ模型，湍动能稳定后趋于一致。
关键词：多孔介质湍流数值模拟宏观模型微观模型多孔介质中湍流流动的一种数值模型ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＴｕｒｂｕｌｅｎｔＦｌｏｗｓｉｎＰｏｒｏｕｓＭｅｄｉａＡｂｓｔｒａｃｔＴｏｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａ（ＰＭ）ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ，ｔｕｒｂｕｌｅｎｔｆｌｏｗｂｅｈａｖｉｏｒｉｎｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａｕｎｄｅｒｖａｒｉｏｕｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｌｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．１１１ｅｍａｉｎｏｂｊｅｃｔｉｖｅｉｓｔｏｇａｉｎｓｏｍｅｉｎｓｉｇｈｔｓｉｎｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｕｒｂｕｌｅｎｔｆｌｏｗｉｎｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａ，ａｎｄｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅｔｏｐｒｏｍｏｔｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｉｓｆｉｅｌｄ．Ｔｏｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｌｙｔｒｅａｔｔｕｒｂｕｌｅｎｔｆｌｏｗｓｔｈｒｏｕｇｈｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａ，ｍｏｓｔｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｆｏｌｌｏｗａｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃａｌａｐｐｒｏａｃｈｆｏｒｌｏｗＲｅｎｕｍｂｅｒｆｌｏｗｓｉｎｔｈｅＰＭ，ｉｎｗｈｉｃｈｇｏｖｅｒｎｉｎｇｅｑｕａｔｉｏｎｓａｌｅｏｂｔａｉｎｅｄｂｙａｖｏｌｕｍｅ—ａｖｅｒａｇｉｎｇｏｖｅｒａｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｅｌｅｍｅｎｔａｒｙｖｏｌｕｍｅ（Ｐ．ＺＶ）．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃａｌｍｏｄｅｌｓｌｏｓｅｄｅｔａｉｌｓｏｎｔｈｅｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｉｎｓｉｄｅｔｈｅＲＥＶ．Ａｓａａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ，ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃａｐｐｒｏａｃｈｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｉｎｗｈｉｃｈｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌｓｆｏｒｃｌｅａｒｆｌｕｉｄｓａｌｅａｐｐｌｉｅｄｄｉｒｅｃｔｌｙｔｏｔｈｅｆｌｏｗｗｉｔｈｉｎｐｏｒｅｓｏｆａＰＭ．Ａｍｉｃｒｏ－ｍａｃｒｏｃｏｕｐｌｅｄａｐｐｒｏａｃｈｉｓｅｍｐｌｏｙｅｄｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ．．Ｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｐｏｒｏｕｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ｗｅｔａｋｅｔｈｅＰＭａＳａｎａＳｓｅｍｂｌｙｏｆａｇｒｅａｔｎｕｍｂｅｒｏｆｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｓｏｌｉｄｕｎｉｔｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｚｅｓａｎｄｆｏｒｍｓ；ｗｈｉｃｈｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｏａｃｅｒｔａｉｎｅｘｔｅｎｔｔｈｅｐｏｒｏｕｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｌａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｔｈｅＰＭ。
微尺度流体力学问题数值模拟方法
微尺度流体力学问题数值模拟方法微尺度流体力学是研究微小尺度下的流体行为和性质的一门学科。
在微尺度下，介观和纳米尺度下的流体物理现象开始发挥作用，如毛细效应、界面张力和界面流动等。
提供一个准确且高效的数值模拟方法对于理解和预测微尺度流体力学问题至关重要。
本文将介绍几种常用的微尺度流体力学问题数值模拟方法。
首先，格子Boltzmann方法是一种适用于多孔介质流动和微通道流动的数值模拟方法。
该方法基于玻尔兹曼方程，通过对流体分子在离散速度空间上的概率密度函数进行模拟，来计算流体的宏观性质。
格子Boltzmann方法通过将流体分为网格单元，模拟从一个时间步到另一个时间步的碰撞和分布函数的传播。
该方法具有高效、精确和可扩展性的优点，适用于微通道中复杂的流动和传热问题。
其次，分子动力学方法也是一种常用的微尺度流体力学数值模拟方法。
该方法通过对流体分子的运动进行直接模拟，来研究微尺度下的流体行为。
分子动力学方法将流体系统建模为一组相互作用的粒子，并通过求解牛顿运动方程来模拟流体分子的动力学行为。
该方法可以模拟流体的微观行为，并能捕捉到一些重要的纳米尺度效应，如界面张力和毛细效应等。
分子动力学方法可以提供详细的流体结构和动力学信息，但计算成本较高。
第三，无尺度方法是近年来发展起来的一种用于微尺度流体力学数值模拟的方法。
无尺度方法将流体行为建模为微观和宏观尺度的相互作用，通过数值计算来模拟微尺度流体的行为。
无尺度方法是基于连续介质力学和分子动力学的方法，结合了二者的优点。
该方法通过引入无量纲参数来简化模拟，并利用尺度分析来确定重要的物理效应。
无尺度方法可以在较低的计算成本下模拟微尺度下的流体行为，是一种高效且准确的数值模拟方法。
此外，在微尺度流体力学中，还有一些其他的数值模拟方法，如边界元方法、有限元方法和有限差分方法等。
这些方法在不同的问题和条件下具有不同的适用性。
边界元方法适用于具有复杂几何形状的问题，有限元方法适用于高精度和复杂耦合的场景，有限差分方法适用于粗粒度模拟和大规模并行计算。
论多孔介质中流体流动问题的数值模拟方法
p
=
-
μ
kV
+μ
2V.
(6)
式 (6) 被称为 Brinkman 方程 。该方程中出现的 μ
2 V 项可以和 N2S 方程中的 Laplacian 项相类比 。
Brinkman 方程可以很好地满足多孔介质流动区域
和纯流体流动区域交界面处的无滑移条件 。
很多研究表明 ,只有当多孔介质的孔隙率较高
(一般在 0. 7 以上) 时 Brinkman 方程才是正确的 。 Somerton 等[8～11 ]数值模拟研究表明 ,对于大孔隙率 的多孔介质 ,简单地取 μ = μ也可以得到和实验吻
一般情况下研究多孔介质的宏观流动时用darcy速度基于传统多孔介质流动控制方程的数值模拟方法多孔介质中流体流动的数值模拟研究是指从多孔介质宏观流动遵循的控制方程出发利用数值方法模拟多孔介质中的流动现象对模拟的结果进行分析得到所需的结果
2000 年 第 24 卷 石油大学学报 (自然科学版) Vol. 24 No. 5 第 5 期 Journal of t he University of Petroleum , China Oct . 2000
宏观方法是通过研究基于 REV 的平均物理量 的变化规律来研究多孔介质中的流动 。如果只须研 究物理量的平均值变化的规律而不研究扰动量变化 规律 ,那么宏观研究方法给出的结果是令人满意的 。
图 1 多孔材料典型的表征单元体
物理量的平均可以定义在体积单元 V m 上 , 也
可以定义在组成体积单元的流体部分 V f 上 。例如
Darcy 定律 ,多用于模拟多孔介质中的复杂流动 。
(5 ) Klinkenberg 修 正 。1941 年 , Klinkenberg
多孔介质渗流传输特性数值模拟
多孔介质渗流传输特性数值模拟多孔介质是指由固体颗粒和孔隙组成的材料，其孔隙内充满了气体、液体或两者的混合物。
多孔介质在许多领域中发挥着重要作用，如地质工程、岩土力学、石油工程、环境科学等。
为了理解多孔介质中的渗流传输特性，数值模拟成为一种常用的工具。
数值模拟是通过建立多孔介质的物理模型和数学模型，运用计算机技术求解模型方程，从而获得多孔介质中渗流传输的各种参数和特性。
在数值模拟中，通常采用有限元法、有限差分法、边界元法等数值计算方法。
这些方法基于牛顿第二定律、达西定律、孔隙率、渗透率等物理规律，通过离散化和迭代求解，可以得到较为准确的渗流传输结果。
在进行多孔介质渗流传输特性的数值模拟时，首先需要建立二维或三维的几何模型。
几何模型可以根据实际多孔介质的形态进行构建，或者根据经验公式进行简化。
模型的精细程度对模拟结果的准确性有重要影响，因此需要根据研究目的和可用计算资源合理选择模型的细化程度。
接下来，需要确定多孔介质的物理性质参数，如孔隙度、孔径大小分布、渗透率等。
这些参数可以通过实验测量获得，也可以根据文献中的数据进行设定。
物理性质参数是决定多孔介质渗流传输特性的关键因素，因此选择合适的参数非常重要。
在模型建立和参数设定完成后，需要确定边界条件和初始条件。
边界条件包括入口流量和出口压力等，初始条件则指模拟开始时多孔介质内物理量的分布情况。
合理设定边界条件和初始条件可以更好地模拟多孔介质中的流体传输过程。
然后，通过数值计算方法，对模型进行离散化处理，并使用迭代算法求解模型方程。
在模拟过程中，需要考虑对流项、扩散项和源项等物理量的计算。
这些计算过程可以通过编程语言和计算软件实现，如MATLAB、Python、COMSOL等。
最后，根据模拟结果进行分析和评估。
分析包括流场分布、渗流速度、压力分布等多个方面。
这些结果可以帮助我们理解多孔介质中的渗流传输特性，指导实际工程的设计和优化。
评估模拟结果的准确性可以通过与实验数据的对比来进行，如果两者吻合较好，则说明模拟结果是可信的。
单液滴在多孔介质内碰壁过程的数值模拟
单液滴在多孔介质内碰壁过程的数值模拟多孔介质是由一系列相互连接的孔隙组成的材料，例如土壤、岩石和多孔材料。
液滴在多孔介质中的流动行为可以用来研究油藏中的油水流动、土壤中的水分运移等现象。
然而，由于多孔介质结构复杂且难以直观观察，数值模拟成为研究液滴行为的重要手段。
在进行单液滴在多孔介质内碰壁过程的数值模拟时，首先需要建立多孔介质的几何模型。
这可以通过计算机辅助设计软件或X射线断层扫描等方法获取。
其次，需要确定多孔介质中的孔隙结构和物理性质，例如孔隙直径、孔隙间距、孔隙连通性和孔隙度等。
这些参数的选择对数值模拟的准确性和结果的可靠性具有重要影响。
在数值模拟中，液滴可以被看作是一个流体颗粒，其运动过程满足牛顿运动定律和质量守恒方程。
液滴与多孔介质之间的相互作用可以通过Navier-Stokes方程和Darcy定律描述。
液滴在多孔介质中碰壁的过程可以用边界条件来模拟，例如空气-液滴接触角和液滴与多孔介质颗粒之间的接触情况。
数值模拟的结果可以用来预测液滴在多孔介质中的运动路径、速度和形态变化。
这对于理解和掌握液滴在多孔介质中的分离、扩散和聚合等重要过程具有重要意义。
此外，通过数值模拟可以分析影响液滴行为的因素，例如液滴初始大小、多孔介质孔隙度和渗透系数等。
这有助于优化多孔介质中的液滴分离和传输过程，并为一些实际应用提供指导，例如油藏开发和土壤保育工程。
然而，单液滴在多孔介质内碰壁过程的数值模拟也面临一些挑战。
首先，多孔介质的结构和性质通常是复杂且随机的，建立准确的模型是困难的。
其次，液滴与多孔介质之间的相互作用过程是复杂的，包括接触角变化、湍流流动和表面张力效应等。
这些因素都增加了数值模拟的复杂性和计算量，并对结果的准确性提出了更高的要求。
综上所述，单液滴在多孔介质内碰壁过程的数值模拟对于研究液滴行为和优化多孔介质中的流动过程具有重要意义。
虽然面临一些挑战，但通过合理选择模型和参数，以及改进计算方法和算法，可以提高数值模拟的精度和效率，为相关应用领域提供有价值的信息和指导。
数值模拟研究三维多孔介质
数值模拟研究三维多孔介质随着科技的迅速发展，计算机技术的不断完善以及对材料科学的不断探索，数值模拟研究多孔介质的技术已经日渐成熟并广泛应用。
多孔介质常见于自然界中的石油、气体、地下水等地下资源的运移，也广泛应用于地质工程、生物医药、环境污染等相关领域。
三维多孔介质的数值模拟研究，对于深化多孔介质的物理机理和发展高效的材料科学具有重要的意义。
一、多孔介质的数学模型多孔介质是由一些固体和空气、水或其他流体组成的材料。
很多实际应用场景中，多孔介质的形状非常复杂，例如砂岩、泥岩、碳酸盐岩、岩石、多相流、纤维素等。
因此，建立适合多孔介质的数学模型是非常重要的。
多孔介质流动有许多的力学、物理效应和作用，如相互作用、不稳定性、非线性效应、催化作用、化学吸附、导电性、热传递、光传递等。
因此，为了最大限度地考虑到多孔介质的种种特性，研究人员通常会考虑阻力模型、渗透率张量、应力-应变张量、孔隙度、渗流速度、惯性力等多个参数。
这些参数可以构成一个完整的数学模型，并且可以用于描述多孔介质中流体的动力学行为。
二、三维多孔介质的数值模拟三维多孔介质的数值模拟通常需要先进行数字化建模，然后采用适当的流体动力学模型进行数值模拟分析。
数字化建模是指通过对多孔介质的样品进行数字化扫描，得到三维材料的空间信息，并将其导入计算机模拟软件中。
适当的流体动力学模型可以选择从单相Darcy模型、双相模型、多相模型、非平衡多相模型、连续介质理论等多个模型。
其中Darcy模型是许多场景下常用的模型，因为它可以通过均衡模拟模型直接转换成流量和温度或扩散速度之间的关系。
在进行三维多孔介质数值模拟时，需要研究人员对多个模型参数进行调整。
这些参数通常包括孔隙度、渗透率、理论阻力系数、温度、压力、成分浓度、材料性质等。
有良好的参数选择和调整可以帮助研究人员更准确地预测多孔介质的行为。
三、应用实例三维多孔介质的数值模拟在实际应用中具有广泛的应用价值。
地下水资源调查研究时，三维多孔介质模拟可以通过数字化建模和流体动力学模型，帮助研究人员更加准确地分析水资源分布，研究水资源开发利用方案。
相场法模拟多孔介质流孔隙尺度
相场法模拟多孔介质流孔隙尺度相场法是一种常用的模拟多孔介质流动的方法，它能够考虑到多孔介质中的非均匀性和随机性。
这种方法源于相场理论，通过对多孔介质中的相场互作用进行建模，从而描述流体在多孔介质中的传递和平衡。
多孔介质是由许多微观颗粒组成的，其内部充满了许多孔隙空间。
这些孔隙以不同的尺度存在，从毫米至亚微米不等。
流体在多孔介质中的流动行为往往在这些孔隙尺度上发生。
相场法正是用来模拟和描述这种流动行为的。
相场法通过将多孔介质中的流体空间划分为许多小区域，每个小区域内的流体与孔隙介质的作用力可以通过欧拉-拉格朗日方程来描述。
该方程可以描述流体与孔隙介质之间的相互作用力，因此可以用来模拟流体在多孔介质中的流动行为。
在相场法中，流体的相位场是一个重要的概念。
相位场用于描述流体在多孔介质中的分布情况，通过对相位场的观察和分析，可以了解流体在多孔介质中的流动规律。
在相场法中，相位场的演化方程是关键的一步，它可以通过对流体的守恒方程和动量方程的求解得到。
相场法在多孔介质流动模拟中还具有一些优势。
首先，相场法能够精确地描述多孔介质中的孔隙尺度，从而对多孔介质的细节进行更加准确的模拟。
其次，相场法能够考虑到多孔介质的非均匀性和随机性，从而更真实地模拟多孔介质中的流动行为。
此外，相场法还可以与其他模拟方法相结合，如计算流体力学和分子动力学等方法，从而得到更全面的流动模拟结果。
然而，相场法也存在一些挑战和问题。
首先，相场法需要对多孔介质的结构和性质进行详细的建模和参数化，这对于一些复杂的多孔介质来说是非常困难的。
其次，相场法的计算成本较高，需要大量的计算资源和时间。
此外，相场法对流体的物理性质和边界条件的处理也存在一定的困难。
综上所述，相场法是一种用于模拟多孔介质流动的有效方法，它能够考虑到多孔介质的非均匀性和随机性，从而更真实地描述多孔介质中的流动行为。
尽管相场法存在一些挑战和问题，但随着计算技术的不断发展，相场法在多孔介质流动模拟中的应用将越来越广泛。
单液滴在多孔介质内碰壁过程的数值模拟
单液滴在多孔介质内碰壁过程的数值模拟单液滴在多孔介质内碰壁过程的数值模拟是一种研究液滴与多孔介质交互作用的方法。
多孔介质广泛存在于自然界和工程领域中，如土壤、岩石、过滤材料等。
理解液滴在多孔介质内碰壁的过程对于液滴在多孔介质中传输、吸附、沉积等过程的研究具有重要意义。
液滴在多孔介质内碰壁的过程可以通过数值模拟方法来研究。
数值模拟方法利用计算机进行数值仿真，通过数学模型和计算方法对液滴在多孔介质中的运动进行模拟和分析。
其中，最常用的方法是基于流体力学的方法，如有限元法、有限差分法等。
在进行数值模拟前，首先需要建立液滴与多孔介质的物理数学模型。
液滴与多孔介质的相互作用主要包括浸润和渗透两个过程。
浸润过程是指液滴由边界进入多孔介质内部的过程，渗透过程是指液滴在多孔介质内部扩散的过程。
这两个过程可以通过地下水位理论、质量守恒等基本原理进行建模。
建立物理数学模型后，可以利用计算流体力学软件进行数值模拟。
数值模拟过程主要包括离散化、求解以及后处理等步骤。
离散化是将流动领域离散化为有限个小区域，求解是通过数值方法求解离散化后的方程组，后处理是对数值结果进行分析和可视化。
数值模拟结果能够展示液滴在多孔介质内碰壁的细节和过程。
通过观察液滴形状、浸润长度和速度等变化，可以分析液滴在多孔介质内的运动规律。
同时，数值模拟还可以通过对参数的敏感性分析，研究不同因素对液滴动力学行为的影响。
数值模拟方法具有高效、灵活、可靠的优点，已经被广泛应用于液滴与多孔介质相互作用的研究中。
通过数值模拟，可以对物理实验进行预测和解释，为实验结果提供理论指导和解释。
此外，数值模拟还可以为液滴在多孔介质中的应用研究提供重要参考，如水污染治理、土壤水分运动和石油开采等领域。
总之，单液滴在多孔介质内碰壁过程的数值模拟是一种重要的研究方法，可以揭示液滴与多孔介质相互作用的细节和规律。
通过数值模拟，可以为液滴在多孔介质中的传输、吸附、沉积等过程提供理论和实验基础，促进相关科学问题的深入研究和解决。
多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟
多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟金文;张鸿雁;何文博【期刊名称】《排灌机械工程学报》【年(卷),期】2010(028)003【摘要】利用多孔介质模拟微通道壁面粗糙元,建立了一种新的微尺度化流场的数值模拟方法.多孔介质模型厚度由微通道壁面相对粗糙度折算,多孔介质的阻力系数由该区域内的流态及阻力计算;配合采用k-ε和k-ω多种形式的湍流模型,对边长为600 μm的方形断面微通道流场在雷诺数分别为100和300的情况下进行了数值模拟计算.通过模拟结果与Micro-PIV测量数据的对比分析发现,采用realizable k-ε湍流模型,搭配多孔介质微尺度化模型进行数值计算,能够有效地模拟微尺度流场的流动状况,而标准k-ε湍流模型和RNG k-ε湍流模型的微尺度模拟计算结果虽接近试验测量值,但仍有偏差;标准k-ω湍流模型和SST k-ω湍流模型的微尺度模拟效果较差.【总页数】6页(P271-276)【作者】金文;张鸿雁;何文博【作者单位】西安建筑科技大学环境与市政工程学院陕西西安 710055;西安航空技术高等专科学校动力工程系陕西西安 710077;西安建筑科技大学环境与市政工程学院陕西西安 710055;西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049【正文语种】中文【中图分类】S275.6;O357.5【相关文献】1.壁面粗糙度对微通道流动影响的数值模拟研究 [J], 范小苗;张鸿雁2.考虑熔体弹性的壁面滑移对微尺度流动的影响 [J], 唐俊;于同敏;徐斌3.壁面滑移条件下微尺度通道内两相流数值模拟 [J], 王琳琳;李泽4.热质渗透壁面饱和多孔介质通道流动与热质传递的数值模拟 [J], 杨勃;李维仲5.考虑壁面接触效应的微流动数值模拟(英文) [J], 宋昱;王飞;郝鹏飞;何枫因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
多孔介质流动的数学模型研究
多孔介质流动的数学模型研究多孔介质是由具有不同孔隙尺度和形状的固体颗粒组成的，通常存在于岩石、土壤、膜滤器等中。
多孔介质流动的数学模型在地质学、油气工程、环境工程、化学工程等领域具有广泛的应用价值。
本文将从多孔介质流动的数学模型的建立方法、基本假设和应用研究等方面进行详细阐述。
多孔介质流动的数学模型的建立方法有两种主要途径：宏观尺度和微观尺度。
宏观尺度方法是将多孔介质视为连续介质，应用流体力学的基本方程（如连续性方程、动量方程和能量方程）来描述流体在多孔介质中的流动行为。
微观尺度方法是利用多孔介质的孔隙结构和流体与固体之间的相互作用特性，借助颗粒流动的理论和颗粒流动的微观分析方法，建立液相和气相在多孔介质内的流动模型。
多孔介质流动的数学模型在建立时需要做出一些基本假设，以简化问题和提高建模效率。
其中最主要的假设是多孔介质中的流动是稳定、恒定和均匀的，即忽略了流动的时间变化和流动的非均匀性。
此外还需假设多孔介质为均质介质，即任意一点的孔隙结构可以代表整个介质的孔隙结构；忽略多孔介质的变形和渗透率等参数的时间变化；忽略多孔介质内的温度和压力的梯度变化；忽略表面张力和电荷效应等。
多孔介质流动的数学模型在石油开采、地下水资源管理、土壤污染修复等领域具有广泛的应用研究价值。
在石油开采中，可以通过建立多孔介质流动的数学模型来预测油气藏的产能和采收率，并制定合理的采油方案。
在地下水资源管理中，可以通过建立多孔介质流动的数学模型来模拟地下水的流动和污染传输过程，并指导地下水的保护和管理工作。
在土壤污染修复中，可以通过建立多孔介质流动的数学模型来模拟污染物在土壤介质中的迁移和转化过程，并优化修复方案。
总之，多孔介质流动的数学模型研究对于理解和预测多孔介质中流体的行为具有重要意义，对于多孔介质中的流体流动过程有着重要的实际应用价值。
随着计算机技术的不断发展和数值模拟方法的成熟，多孔介质流动的数学模型的研究将会得到更广泛的应用和深入的发展。
多孔介质流动特性数值模拟技术概述
多孔介质流动特性数值模拟技术概述近年来，多孔介质流动特性数值模拟技术在许多工程领域得到广泛应用。
多孔介质是一种由固体颗粒组成的材料，其内部存在着连续的孔隙空间。
这种特殊的结构使得多孔介质在液流、气流等流体介质的传递过程中表现出一系列独特的流动性质。
为了更好地理解和预测多孔介质中的流动行为，数值模拟技术应运而生。
多孔介质流动数值模拟技术的基础在于流体力学和传热学等相关领域的理论研究。
通过建立多孔介质流动的数学模型和方程，利用数值方法求解和模拟，可以对多孔介质流动过程中的压力分布、速度场、温度场等进行准确预测和分析。
多孔介质流动数值模拟技术可以分为连续介质模型和离散介质模型两种类型。
在连续介质模型中，多孔介质被视为一种连续的介质，并利用宏观平均方法描述流动现象。
这种模型基于宏观尺度上的平均方程，通过假设多孔介质中的局部非均匀性可以用称为渗透率的参数来表示。
渗透率可以描述多孔介质中流体的渗透性，是模拟和研究多孔介质流动的重要参数。
在连续介质模型中，数值方法主要包括有限差分方法、有限体积方法和有限元方法等。
通过数值方法解决连续介质模型的方程组，可以得到多孔介质流动时的各种物理量的数值解。
离散介质模型，又称为颗粒模型或粒子模型，将多孔介质看作由颗粒组成的离散介质。
该模型基于颗粒尺度上的颗粒运动方程，以每个颗粒的位置和运动状态来描述多孔介质中的流动行为。
离散介质模型在描述复杂多孔介质中的流动过程中具有更高的精度和适应性。
常见的离散介质模型包括颗粒动力学方法、格子Boltzmann方法和分子动力学方法等。
在多孔介质流动特性数值模拟技术中，还需要考虑不同的流动机制和模型的适用范围。
流动机制主要包括渗流、对流和扩散等。
根据流场情况和流动特性，可以选择合适的数值模拟方法来模拟不同的流动机制。
对于较简单的多孔介质流动问题，可以采用经典的Darcy定律作为数学模型。
对于较复杂的多孔介质流动问题，需要考虑非线性、非稳态以及非均匀性等因素。
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面附近建立适当的多孔介质层．多孔介质可以利用
式（２）中的Ｓｉ模拟直微管壁面附近的流动（其流动
状态不同于主流），实现微尺度化流动的模拟．
三
三
１
ｓｚ＝∑Ｄ渺叶＋∑Ｃｇ专－ｐ Ｉ吩ｌ吩， （３）
，＝Ｉ
ｊ＝Ｉ
－
式中Ｄ和Ｃ分别为多孔介质的粘性阻力系数和惯性
阻力系数，利用式（３）由多孔介质区域内的流态及
阻力可设定其值．
习排灌机械工程学报
！鼍第Ｖ０１２．８２８卷第Ｎ３ｏ．期３墓薯黪溆榔燃
鞠＿嘲一Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｄｒａｉｎａｇｅ ａｎｄ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＿——＿———＿＿＿＿＿——＿＿—＿———霸——＿＿—＿＿——＿—一
多孔介质壁面条件下微尺度流动的数值模拟
金文１”，张鸿雁１，何文博３
力计算；配合采用序一占和ｋ一甜多种形式的湍流模型，对边长为６００“ｍ的方形断面微通道流场
在雷诺数分别为１００和３００的情况下进行了数值模拟计算．通过模拟结果与Ｍｉｃｒｏ—ＰＩＶ测量数
据的对比分析发现，采用ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ后一８湍流模型，搭配多孔介质微尺度化模型进行数值计算，能
够有效地模拟微尺度流场的流动状况，而标准ｋ一占湍流模型和ＲＮＧ ｋ一占湍流模型的微尺度模
动．壁面函数法在一定范围内有效，若按照常规
ＣＦＤ的理论和方法对微通道边界层进行处理，显然
会影响计算精度．针对微通道壁面粗糙及边界层厚
的特点，对微通道壁面附近的流场建立一个微尺度
化处理模型，即将微通道壁面粗糙元抽象为多孔介
质，通过合理设定多孔介质模型的参数来模拟计算
粗糙壁面的近壁区低雷诺数流动．
基于多孔介质的微尺度模型首先应在微通道壁
张鸿雁（１９６０～），女，陕西西安人，教授（ｚｈａｎｇｈｏｎｇｙａｎ＠ｘａｕａｔ．ｅｄｕ．ｃｎ），主要从事流体力学研究．
万方数据
ａ｜２７２；巴＝＝＝三蕊譬翟露互＝＝＝＝瑟瑟三
Ｉ—Ｉ—一 ～一 …ＩＩ
—
ＩＨ
Ｉ—●—■———■—■—■■■——■——————■——■ｌ
在微流体流动研究中，随着流动尺度的不断减 小，壁面相对粗糙度增加，壁面因素对整个流动的影 响愈发重要，使得微尺度领域的许多物理现象与宏 观世界有很大差别，微尺度流动特征激发了人们的 研究兴趣．Ｍａｌａ Ｇ Ｍ等人…研究发现微尺度流动在 机理上迥异于常规尺度流动；Ｓａｌｖａｄｏｒ等人Ｂ１采用 层流模型，利用Ｆｌｕｅｎｔ进行水力特性分析，认为数值 分析可以精确地模拟微通道压力变化值；而李永欣 等人口３采用湍流模型，对复杂结构微流道内部的压 力、流速分布进行了模拟，并与微通道放大模型的试 验结果进行对比，提出了不同见解；王福军等人Ｈ１ 采用标准ｋ一占湍流模型，对微通道进行了常规数值 模拟，并与实测值进行了对比，发现计算结果与实测 结果存在较大误差，而误差的原因主要是流道微小 且结构复杂，常规ＣＦＤ模型不能有效反映微尺度特 性；王新坤等人∞ｏ对单翼迷宫式滴灌灌水器进口结 构特性和水力性能进行了模拟分析，通过结构优化 提高了灌水器的抗堵塞能力．
ｗｈｉｌｅ ｓｔａｎｄａｒｄ Ｊ｜｝一占ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ＲＮＧ ｋ—ｓ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ｇａｖｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｏｎｅｓ ｗｉｔｈ ｓｏｍｅｈｏｗ ｄｅｖｉａｔｉｏｎｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ．ｓｔａｎｄａｒｄ Ｊ｜｝一∞ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ＳＳＴ ｋ一∞ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ ｍｕｃｈ ｐｏｏｒ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ｓｕｃｈ ｍｉｃｒｏ．ｓｃａｌｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏ－ｃｈａｎｎｅｌ；ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ；ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉｕｍ；ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
万方数据
力，啄＝一碱＋ｐ。（警＋警）；＆为克罗内克尔符
、ｏｘｊ
０ｚｉ ７
号；ｐ为流体压力；儿为有效粘性系数；．ｓｉ为附加动
量源项．
１．２微尺度模型
相对于宏尺度通道，微通道壁面粗糙元在流道
断面方向上所占比例很大，它将造成微流道内流边
界层厚度不同于宏尺度通道．而当前的ＣＦＤ计算，
都是采用壁面函数法处理近壁面区的低雷诺数流
微通道几何模型由Ｇａｍｂｉｔ软件建立，选用３Ｄ 模型，使用六面体网格单元进行网格划分．网格模型 包括壁面、多孔介质和主流等３个部分．对多孔介质 区域加密网格数，主流区域的网格密度由壁面向中 心逐步变疏．网格总数约８００ ０００，网格结构见图１．
图１ 基于多孔介质方案下的微通道网格划分 Ｆｉｇ．１ Ｍｉｃｒｏ—Ｃｈａｎｎｅｌ加ｄ ｆｏｒ ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉｕｍ
本研究在自建的微尺度模型条件下，拟采用３ 种ｋ一８湍流模型和２种ｋ一山湍流模型分别进行模 拟计算，对比选择具有最佳模拟效果的湍流模型． １．４几何模型
研究的微通道几何模型为方形断面的直微通 道，断面边长为６００ ｐＬｍ．在前期的试验研究中，利用 Ｍｉｃｒｏ—ＰＩＶ已测量得到微通道内流流场的试验值； 为了采用试验值验证数值模拟的可靠性，设计数值
ｌ黪嬲榔
。繇毵，，觞纛灏缀籀ｉ＃辫瓤ｊ，；。痧馥穆、畹钙。灏簿鳓鳜蝴黪鳜灏襁獭黝渤瘸蠛凝二鞴辫霸黪躲魏骥煽鬻鬻黪霸戮鳜缫蠢麴蕊：黪溉簿酝，啼，，峨，蟛。毋么｜２ ７３ ｌ ｋ鸳绷确
的表现．标准ｋ—ｔＯ模型是为考虑低雷诺数、可压缩 性和剪切流传播而修改的，因而在近壁自由流计算 中有良好的精度．ＳＳＴ ｋ—ｔＯ模型在标准ｋ一∞模型 的基础上增加了一个混合功能，专门用于近壁区域 流场计算，在一些特定流场应用中得到了更高的精 度．
收稿日期：２０１０—０２一０１ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（１０９７２１７６）；新疆维吾尔自治区科技攻关重点项目（２００８３３１２１）；国家“十五”科技攻关项目
（２００４ＢＡ９０１ Ａ２１—４） 作者简介：金文（１９６７～），女，吉林扶余人，教授，博士研究（ｊｉｎｗｅｎ３８５＠１６３．ｔｏｍ），主要从事微尺度流体动力学研究．
在近壁区域模拟计算中有更高的可信度和精度．
ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ ｋ一占模型具有两个优势：①为湍流粘性增
加了一个公式；②为耗散率增加了新的传输方程，使
之在强流线弯曲、漩涡和旋转等流动模拟中有更好
钢甥”礴黪黪猢黪黪嬲嬲獬蝴嬲孵牌嬲嬲秽嬲㈣零黪镄铡嬲缪戮辫嬲渤髑黪嬲甥嬲嬲嬲黪辫嬲黪嬲翳繁黪嬲嬲嘲燃嗍嬲嘲嗍蹶ｌ
ｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｌｌ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’锄，Ｓｈａａｎｘｉ ７１００４９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｏｖｅｌ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｍｉｃｒｏ．ｓｃａｌｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｍａｉｎｌｙ ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉｕｍ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｗａｌｌ ｒｏｕｇｈｈｅｓｓ ｅｌｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉａ Ｗａｇ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｗａｌｌ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ．ａｎｄ ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｗａｇ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｆｌｏｗ ｓｔａｔｅ ａｓ ｗｅｌｌ鹊 ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉａ．Ｕｎｄｅｒ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ １００ ａｎｄ ３００ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ｖａｒｉｏｕｓ ｍｏｄｅｌｓ ｗｅｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｓｑｕａｒｅ—ｓｅｃｔｉｏｎ ｍｉｃｒｏ—ｃｈａｎｎｅｌ ｗｉｔｈ ｓｉｄｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ６００ Ｉｘｍ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｏｓｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏ—ＰＩＶ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ．ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ ｋ一８ ｔｕｒｂｕ． １ｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉｕｍ ｍｏｄｅｌ ＷａＳ ｍｏｓｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏ．ｃｈａｎｎｅｌ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．
１．３湍流模型
微通道中的壁面粗糙度是影响层流流动阻力的
一个重要因素，对内流的流动稳定性将产生重要影
响，导致转捩提前¨１｜．本研究中，微通道内流流动状
态已为湍流．Ｆｌｕｅｎｔ计算软件提供了多种形式的湍
流模型，但没有一种湍流模型对于所有的问题是通
用的．因此对于湍流模拟，不同的数值模拟方案会有
相应的最佳匹配湍流模型．
计算的微通道几何结构与试验试件结构完全一致． 由于微通道壁面附近设置了多子Ｌ介质层，而多
孔介质是用来模拟微通道壁面粗糙元的，其厚度的 设定与管壁粗糙度直接相关，大量计算证明，多孔介 质层厚度近似等于粗糙元平均高度．本研究中，微通 道试件壁面相对粗糙度约为０．１５，以此在数值模拟 中设定多孔介质厚度为０．１５Ｄ（Ｄ为微通道断面边 长）．这一结论在本课题边长为４００，６００和８００斗ｍ 的３种微通道模拟计算中均得到验证．
（１．西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安７１００５５；２．西安航空技术高等专科学校动力工程系，陕西西安 ７１００７７；３．匿安交通大学能源与动力工程学院。陕西西安７１００４９）