Flow Simulation In Porous Media By CFD Softwares

تخلخل (Porosity) عبارتست از وجود فضای خالی در ساختار جامدات و به اجسام یا نواحی که دارای فضای خالی در ساختار خود هستند، اجسام یا نواحی متخلخل (Porous Media) می‌گویند. از مهمترین نواحی متخلخل می‌توان به اسفنج‌ها، انواع فیلترها، خاک، شن، چوب و غیره اشاره نمود. لازم به ذکر است نواحی متخلخل می‌توانند شکل‌پذیر و تراکم‌پذیر نیز باشند که البته بیشتر این محیطهای متخلخل در زیست فناوری استفاده می‌شوند.

تخلخل در تمامی محیطهای متخلخل از یک رابطه ساده نسبت حجم فضای خالی به حجم کل محیط محاسبه می‌شود، همیشه بین صفر و یک بوده و البته بصورت درصدی -مثل 56% تخلخل- بیان می‌شود. بسته به اینکه نواحی متخلخل تحت اثر نیروهای بیرونی بتوانند شارها را از خود عبور دهند یا نه، آن محیط‌ها را نفوذپذیر/تراوا (Permeable) یا نفوذناپذیر/ناتراوا (Impermeable) می‌‌نامند.

از نقطه نظر دینامیک سیالات در نواحی متخلخل دو پارامتر تخلخل (Porosity) و نفوذپذیری (Permeability) بازیگران اصلی معادلات حاکم بر جریان در نواحی متخلخل هستند و لازمست به درستی و با حداکثر دقت تعیین و یا اندازه‌گیری شوند. در دینامیک سیالات محاسباتی، جریان در نواحی متخلخل، ساده‌ترین فرم جریان چندفازی به حساب می‌آید.

در روش‌های CFD جریان در نواحی متخلخل با یکی از متدهای اعمال ترم اتلاف در معادله ممنتم که Superficial Velocity Formulation نامیده می‌شود و یا حل میدان جریان دوفازی سیال-جامد که در آن تخلخل، تمام ترم‌های معادلات حاکم از جمله ترم اتلاف را تصحیح می‌کند و به روش True Velocity Formulation معروف است، شبیه‌سازی می‌گردد.

نرم افزارهای CFD و شبیه سازی میدان‌های جریان‌ در نواحی متخلخل

نرم افزارهای Ansys Fluent و Ansys CFX که از معروف‌ترین و جامع‌ترین نرم افزارهای CFD هستند توانایی حل میدان جریان در نواحی متخلخل را دارند. علاوه بر این در بستر Ansys Workbench مدل Porous Elasticity برای شبیه سازی الاستیسیته در نواحی متخلخل توسعه یافته است که شامل خواض فیزیکی Swell Index، Elastic Limits of Tensile Strength، Poisson’s Ratio و Initial Void Ratio می‌باشد.

نرم افزار Fluent

در نرم افزار Fluent با استفاده از مدل Porous Media Model: PMM، یک ترم چشمه دو مؤلفه‌ای در سمت راست معادله ممنتم استاندارد جریان سیال، برای شبیه‌سازی این نوع جریان‌ها اعمال می‌گردد. در واقع روش بکار رفته در این نرم افزار همان متد Superficial Velocity Formulation، می‌باشد. ترم افت لزجت/چسبندگی (Viscous Loss Term) که قانون دارسی (Darcy’s Law) نامیده می‌شود و ترم افت اینرسیایی (Inertial Loss Term) یا همان قانون فورسهایمر (Forchheimer’s Law)، دو مؤلفه مدل PMM می‌باشند. قابل توجه است که ترم افت لزجت همان معکوس مقدار نفوذپذیری می‌باشد (شکل زیر). تنظیمات مرتبط با نواحی متخلخل در قسمت Cell Zone Condition انجام می‌شود

تنظیمات مرتبط با ناحیه متخلخل در نرم افزار Fluent برای جریان تک فازی.

اگر جریان دوفازی باشد آنگاه لازمست برای هر فاز تنظیمات بصورت مجزا انجام شود.

تنظیمات مرتبط با ناحیه متخلخل برای حالت مخلوط دو فاز (Mixture) در نرم افزار Fluent برای جریان دو (یا چند) فازی.
تنظیمات مرتبط با ناحیه متخلخل برای فاز اول در نرم افزار Fluent برای جریان دو (یا چند) فازی.
تنظیمات مرتبط با ناحیه متخلخل برای فاز دوم در نرم افزار Fluent برای جریان دو (یا چند) فازی.

نرم افزار CFX

برای تعیین یک ناحیه متخلخل در نرم افزار CFX لازمست یک دامنه مشخص (Domain) تعریف و نوع آن Porous Domain انتخاب شود (شکل زیر).

برخلاف نرم افزار Fluent، نرم افزار CFX می‌تواند از هر دو متد Superficial Velocity Formulation و True Velocity Formulation برای شبیه‌سازی جریان درنواحی متخلخل استفاده کند. برای تعیین نوع متد مورد استفاده کافیست نام آن در پانل Porosity Setting و در کادر Loss Velocity Type انتخاب گردد (شکل زیر).

سایر تنظیمات ناحیه متخلخل از جمله تخلخل همگن یا نا همگن و همچنین نفوذپذیری و سایر موارد در همان پانل Porosity Setting (شکل زیر)انجام می‌شود.

بازگشت

برای کسب اطلاعات بیشتر با ما تماس بگیرید

محمدرضا کلیچ