表观速度公式

Simcenter STAR-CCM+ 通过在动量方程中引入动量汇,对多孔区域中的压力损失进行建模。Simcenter STAR-CCM+ 将用户指定体积孔隙率包括在非稳态项和有效导热率的计算中。

连续性方程
控制多孔介质中质量平衡的连续性方程如下:
1. EQUATION_DISPLAY
t(Vρχ)dV+Aρvsda=VSudV
(1840)

其中,vs 为表观速度,ρ 为流体密度,a 为表面积矢量,Su 为用户自定义质量源或质量汇。

动量方程

动量方程包含一个额外的源项,其考虑由多孔介质传递的流的阻力。多孔介质阻力是根据表观速度 vs 和多孔阻力张量 P 定义的:

2. EQUATION_DISPLAY
fp=-Pvs
(1841)

多孔阻力张量包括两个分量:

3. EQUATION_DISPLAY
P=Pv+Pi|vs|
(1842)

其中, Pv 为粘性(线性), Pi 为惯性(二次)阻力张量。此源项表示产生压降的动量汇。

多孔介质的动量平衡则由以下公式给出:
4. EQUATION_DISPLAY
t ( V ρ v s ) d V + A ρ v s v s d =   - A p I d a + A T d a + V f b d V + V f p d V + V S u d V
(1843)

其中, f b 为包含所有其他体积体力的体力矢量, I 为单位矩阵, f p 为由 Eqn. (1841) 给出的多孔阻力。

能量方程
多孔介质的能量方程由以下公式给出:
5. EQUATION_DISPLAY
t V ( χ ( ρ E ) fluid + ( 1 χ ) ( ρ C p ) solid T ) d V + A ρ H v s d a = - A q ˙ d a + A T v s d a + V f b v s d V + V S u d V
(1844)
其中, H 为总焓,热通量 q ˙ 定义为:
6. EQUATION_DISPLAY
q ˙ = - k eff T
(1845)
7. EQUATION_DISPLAY
k eff = χ k fluid + ( 1 - χ ) k solid
(1846)

其中, k e f f 为多孔介质的有效导热率, k fluid 为流体的导热率, k solid 为固体的导热率。

多孔阻力对不可压缩流温度的影响

当模拟通过多孔介质的不可压缩流并求解能量时,温度将与用户指定的多孔阻力成比例发生变化。

考虑以下示例:恒定 Cv (恒定体积时的比热)流体的一维稳态不可压缩流穿过恒定横截面的多孔介质。

质量守恒需要速度 v 保持恒定。动量守恒将会简化,以便在压力梯度 d p / d x 和多孔阻力 fp 之间保持平衡:

8. EQUATION_DISPLAY
fp=dpdx
(1847)

能量方程简化为:

9. EQUATION_DISPLAY
d H d x = 0
(1848)

并且由于总焓为 H=CvT+pρ+v22 ,方程变为:

10. EQUATION_DISPLAY
dTdx=-1ρcvdpdx=-fpρcv
(1849)

因此,通过多孔介质的不可压缩流出现温度升高或降低的情况十分正常。