多孔介质

多孔介质是含有流体和精细固体结构的连续体，例如：填充层化学反应器、过滤器、散热器、蜂巢结构或纤维材料。固体几何结构太精细，无法通过计算网格单独网格化和完全求解。

Simcenter STAR-CCM+ 提供两种方法对多孔介质对流体的影响进行建模：

  • 一种对多孔介质中的流体进行建模的方法是将源项引入动量传输方程中以近似压力损失。此方法通常称为表观速度公式。在 Simcenter STAR-CCM+ 中，称为多孔区域建模。
  • 第二种建模方法更为普遍，因为它考虑到当流体进入多孔介质时物理速度会提高。此方法通常称为物理速度公式。在 Simcenter STAR-CCM+ 中，称为相多孔介质建模。相多孔介质模型提供了在多孔介质中具有多个固相的功能，对于每个介质，可以求解单独的能量方程。
两种建模方法都使用孔隙率，并为控制方程添加适当的源项。孔隙率定义为流体所占的体积 V f 与网格单元的总体积 V 之间的比：
图 1. EQUATION_DISPLAY
χ = V f V
(1837)

当流体进入多孔介质时，物理流速在给定点上升，因为流体可用的开放区域很小。多孔区域建模不会计算物理速度的这种提高，而是采用基于计算的表观速度的方法。表观速度与物理速度之间的关系为：

图 2. EQUATION_DISPLAY
vs=χ⋅v
(1838)

流体区域和多孔区域中的表观速度相同。表观速度是人工流速，假定只有流体通过横截面积并忽略多孔介质的固体部分。

多孔介质中的扩散取决于介质孔隙率和弯曲 τ。弯曲定义为通过多孔介质的实际（卷积）路径长度（从一点到另一点）与这两点之间的直线距离之比。弯曲可降低多孔介质中的扩散率，使有效扩散系数变为：

图 3. EQUATION_DISPLAY
Deff=χτD
(1839)

其中，D 为流体的扩散系数。以电磁为背景，如果涉及组分输运、被动标量、锂离子传输和导电率，则弯曲可能是一个因子。

（仅限多相分离流模拟）使用混合可确保从阻力主导流态平滑过渡到惯性/粘度主导流态。

多孔介质中的湍流

对于 RANS 湍流模型、SRH 湍流模型和 DES，湍流传输方程不是在多孔区域中求解的。多孔区域对湍流的影响取决于其内部结构。当存在湍流时，湍流尺度以多孔介质的几何结构为主。由于 Simcenter STAR-CCM+ 不能直接预测多孔区域中的湍流尺度，因此必须以下列形式直接指定这些湍流尺度：
  • 湍动能和耗散率
  • 湍流强度和长度尺度
  • 湍流强度和粘度比
离开多孔区域的流体中的湍流量由用户自定义值构成；它们不从多孔区域的上游侧传输。

LES 在多孔区域中处理湍流的方式与流体区域中相同。