多孔介质流模块

模拟多孔介质中的质量、动量和能量传递

“多孔介质流模块”是 COMSOL Multiphysics® 软件的一个附加产品，用于分析在许多自然和人工系统中发现的复杂多孔介质结构。该模块包含的功能可以基于达西定律、Brinkman 方程、理查兹方程来模拟多孔介质单相流，以及裂隙流和自由与多孔介质流动的组合。

最真实、准确的模型提供的多物理场功能包括多孔介质中的非等温流动、多组分系统的有效属性、多孔弹性以及水分和化学物质的传递。

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多孔介质中的缓流

达西定律描述流体在压力梯度驱动下，在完全饱和的多孔介质中通过间隙的流动，其中流体的剪切应力引起的动量传递可以忽略不计。您可以使用达西定律 接口计算压力，然后根据压力梯度、流体黏度和渗透率来确定速度场。多层达西定律 接口可用于模拟流体通过多层多孔介质（如纸板、复合材料或胶合板）间隙的流动。

变饱和多孔介质流动

理查兹方程描述了流体在部分饱和的多孔介质中的流动，说明了流体在填充某些孔隙并从其他孔隙排出时水力属性的变化。理查兹方程 接口包含 van Genuchten 或 Brooks-Corey 等内置的流体保留模型，您可以根据需要进行选择。与达西定律 接口类似，该接口也只计算压力。由于水力属性随饱和度发生变化，因此理查兹方程是非线性的，如果在没有计算软件的情况下进行求解，将是一项具有挑战性的工作。

裂隙流

多孔介质中的裂隙会影响通过多孔基体的流动属性，裂隙流 接口可以根据用户定义的孔径来求解三维基体内部的（二维）边界上的压力，并将自动与描述周围基体中的多孔介质流动的物理场相耦合，这是一种近似方法，可以在裂隙的网格划分过程中节省时间和计算资源。

多孔介质多相流

相传递功能可以与达西定律 接口相结合，用来模拟具有任意数量相态的多孔介质多相流。用户可以指定多孔介质属性，例如相对渗透率和各相之间的毛细压力。通过多物理场耦合，可以实现多孔介质相传递 与达西定律 接口的结合，从而在各相之间传递这些属性。

多孔弹性

固结和膨胀可以通过专用的多孔弹性物理场接口，通过将达西定律的瞬态公式与多孔基体的线弹性材料模型进行耦合来进行建模。流体流动会影响多孔介质的可压缩性，而体积应变的变化反过来又会影响动量、材料和传热。为了利用这些效应，多孔弹性 多物理场接口包含一个应力张量表达式（作为体积应变的函数）和 Biot-Willis 系数。此外，还提供多孔弹性，多层壳 多物理场接口，可以对每层具有不同材料属性的多层域（纸板、复合材料等）进行建模。

多孔介质和裂隙中的化学物质传递

COMSOL Multiphysics® 仿真软件包含直观的功能，用于定义稀溶液或混合物中通过任意数量化学物质的对流、扩散、弥散、吸附和挥发进行的物质传递。通过将“多孔介质流模块”与化学反应工程模块相结合，可以轻松地将它们与可逆、不可逆和平衡反应动力学的定义联系起来。借助“多孔介质流模块”，您可以将此功能扩展到多孔介质和裂隙。

多孔介质中的急流

Brinkman 方程可用于计算多孔介质中快速流动的流体，其中驱动流动的因素是流体速度动势、压力和重力。“Brinkman 方程”接口综合了达西定律，可以计算黏性剪切引起的动能耗散，与纳维-斯托克斯方程类似。

非达西流

达西定律和 Brinkman 对达西定律的修正仅适用于孔隙中的间隙速度足够低、使蠕动流近似成立的情况。当间隙速度较高时，可以在动量方程中包含额外的非线性校正。本模块提供多个渗透率模型用于模拟多孔介质中的非达西流：Brinkman 方程 接口包含 Forchheimer 和 Ergun 模型，达西定律 和多孔介质多相流 接口包含 Forchheimer、Ergun、Burke-Plummer 和 Klinkenberg 模型。

多孔介质传热

多孔介质传热是通过传导、对流和弥散进行的。弥散是由液体在多孔介质中流动的曲折路径引起的，如果只分析平均对流项，则无法描述这种现象。在许多情况下，固相可以由传导率不同的多种材料组成，也可能会涉及许多不同的流体。多孔介质传热 接口可以自动分析这些因素，并提供用于计算有效传热属性的混合规则。为了对局部热非平衡进行建模，您可以使用内置的技术，将流体和多孔基体温度场的各个方程相耦合，以分析孔隙中流-固界面的传热。

热湿传递

纸张、木材和其他多孔材料的热湿管理对建筑构件和消费品包装的设计起着至关重要的作用。热湿流动 多物理场接口用于模拟传热和水分输送，其中流体属性可能与蒸汽浓度相关。此外，该接口还提供多种工具用于分析表面上水的冷凝和蒸发，并提供多个专用特征用于分析热湿储存、潜热效应以及水分的扩散和传递。

层流和蠕动流

为了实现最大的灵活性，“多孔介质流模块”提供了专用的功能来模拟自由介质和多孔介质中的流动。层流 和蠕动流 接口可用于模拟雷诺数相对较低的瞬态和稳态流动，其中流体黏度可以取决于流体的局部组成和温度，或与流体流动耦合建模的任何其他物理场。

高级自由流动选项

通过将“多孔介质流模块”与 CFD 模块或聚合物流动模块耦合，可以在多孔介质流动建模中包含非牛顿流体，例如幂律、Carreau 和 Bingham 流体。一般来说，密度、黏度和动量源可以是温度、成分、剪切速率、其他任何因变量以及因变量导数的任意函数。此外，通过耦合使用“CFD 模块”，您还可以将多孔介质中的急流与自由湍流进行耦合分析。