1.概念介紹

許多工業(yè)應用，如過濾器、催化劑床和填料，都涉及到模擬通過多孔介質(zhì)的流動。本案例為氣體通過催化轉換器的流動。催化轉換器通常用于凈化汽油和柴油發(fā)動機的所產(chǎn)生的廢氣，將有害環(huán)境的廢氣轉化為可接受的物質(zhì)。? ??

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2.模型描述

這里的催化轉化器模型如圖所示，用于流動建模的催化轉化器幾何形狀。氮氣以125 m/s、800K的勻速通過進口，通過一對方形通道的陶瓷整體基板，從出口排出。

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當入口和出口段中的流動為湍流時，通過基板的流動為層流，并且具有沿入口軸的慣性和粘性損失系數(shù)?；自谄渌较虿豢蓾B透。使用比主流方向高三個數(shù)量級的損失系數(shù)對該特性進行建模。

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3.基本設置

1)?導入網(wǎng)格：

使用Fluent軟件打開Chapter26.msh.gz網(wǎng)格文件，文件在本文末尾鏈接資源內(nèi)。

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2)?修改網(wǎng)格單位

Domain → Mesh → Units...

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選中l(wèi)ength，將長度單位修改為mm。

注意：此處只是將Fluent的默認長度單位由m改為了mm，并沒有修改模型的尺寸。

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3)?求解器設置

保持默認即可

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4.設置計算模型

本例考慮多孔介質(zhì)對溫度的影響，因此打開能量方程

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由于N2氣體的流速125m/s非常大，流動達到了湍流，因此使用湍流模型。

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SST k-ω模型湍流粘度考慮到了湍流剪應力的傳播。相較于標準k-ω模型，SST k-ω模型在廣泛的流動領域中有更高的精度和可信度。

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5.材料設置

在Materials下，單擊Create/Edit...，彈出如下面板。

Materials → Create/Edit...

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單擊Fluent Database，選擇nitrogen（N2），單擊copy，然后單擊close，N2材料添加成功

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6.設置計算域

單擊信息樹Cell Zone Conditions，

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選擇計算域fluid:0，雙擊fluid：0，彈出流體域設置對話框，將Material Name改為nitrogen，即將工作流體改為N2而不再是空氣，其他設置保持默認。

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對fluid:1和fluid:3進行同樣的設置，將工作流體改為N2。

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接下來就是多孔介質(zhì)的設置了，多孔介質(zhì)設置只需要在計算域進行設置即可，我們進行較為詳細的講解

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雙擊fluid:substrate:1，彈出流體域設置對話框，勾選Porous Zone表明這部分計算域為多孔介質(zhì)區(qū)域。

將Material Name改為nitrogen，表示多孔介質(zhì)中的流體為N2，單擊Porous Zone欄，對多孔介質(zhì)進行設置。

1)?Laminar Zone：

勾選Laminar Zone表明在多孔介質(zhì)區(qū)域中抑制湍流的產(chǎn)生：如果不勾選，多孔介質(zhì)區(qū)域的固體邊界仿佛對湍流的產(chǎn)生和耗散沒有影響，這個假定只有在滲透性很大并且多孔介質(zhì)的幾何尺度對湍流渦旋的幾何尺度沒有影響的情況下可行

2)?Direction -1 Vector和Direction -1 Vector：

將多孔介質(zhì)的主方向分別設置為z軸方向和y軸方向

多孔介質(zhì)分為各向同性多孔介質(zhì)，指的是多孔介質(zhì)各個方向的阻力相同。各向異性指各個方向阻力不同，有的方向流體容易通過，有的方向流體很難通過。

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若多孔介質(zhì)為各向同性，此設置無意義。但若為各向異性，則方向1矢量表示多孔介質(zhì)的第一個主方向為x方向，方向2矢量表示多孔介質(zhì)的第二個主方向為y方向，第三個方向與這兩個方向垂直，不必指定。

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3)?Viscous Resistance：

分別按下圖設置三個方向的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)

多孔介質(zhì)模型主要是對流動阻力產(chǎn)生影響，因此其會在動量方程中添加動量源項來充當阻力。

x方向上的動量源項為下圖，第一項為粘性損失項，第二項為慣性損失項。y方向和z方向同理，當為各向異性時，各方向上的粘性阻力系數(shù)可互不相同，慣性阻力系數(shù)也可不同。

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Viscous Resistance表示粘性阻力系數(shù)，方向1表示Du，方向2表示Dv(y方向粘性阻力系數(shù))，方向3表示Dw(z方向粘性阻力系數(shù))

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4)?Inertial Resistance：

表示慣性阻力系數(shù)，方向1表示Cu，方向2表示Cv(y方向慣性阻力系數(shù))，方向3表示Cw(z方向慣性阻力系數(shù))

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對計算域fluid:substrate:2進行同樣的設置。

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這里使用copy會更加方便

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單擊copy按鈕，把剛才設置的計算域fluid:substrate:1復制給fluid:substrate:2。

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From：被復制的計算域

To：要進行復制參數(shù)的計算域

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單擊copy后，彈出下框，點擊ok即可。

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Copy在進行邊界條件設置時同樣適用，且使用方法相同。

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其余設置保持默認，可參照文章二十。

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7.設置邊界條件

inlet：采用velocity-inlet邊界，速度為125m/s，在 Turbulence中的 Specification Method中選擇 Intensity and Hydraulic Diameter，在 Turbulent Intensity中填入5，在 Hydraulic Diameter中填入500，單擊OK按鈕確認。

Thermal中流體進口溫度設置為800K

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outlet：設置為pressure-outlet，在 Turbulence中的 Specification Method中選擇 Intensity and Hydraulic Diameter，在 Turbulent Intensity中填入5，在 Hydraulic Diameter中填入500，回流溫度設置為800K，單擊OK按鈕確認。

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其它邊界，保持默認設置

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8.求解方法

選擇Coupled，動量選擇二階迎風格式，勾選偽瞬態(tài)選項

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監(jiān)視器設置

Solution?→ Reports?→ Definitions?→ New?→ Surface Report?→ Mass Flow Rate

創(chuàng)建一個監(jiān)視器，用于監(jiān)控出口流量

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Name名稱任意，勾選Report File、Report Plot和Print to Console。Report File表示生成一個用于存儲出口流量數(shù)據(jù)的文件，Report Plot表示窗口顯示流量曲線圖，Print to Console表示流量數(shù)據(jù)會在控制面板打印出來。

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Solution Controls設置保持默認

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9.初始化

選擇標準初始化，Compute From選擇inlet，單擊Initialize，完成初始化

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對于多孔介質(zhì)問題，推薦使用Standard標準化，若使用混合標準化，可能會產(chǎn)生不合實際的初始速度場，難以收斂。

10.計算設置

設置計算步長150步

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11.后處理

1)?出口流量曲線圖

2)?速度矢量圖

創(chuàng)建面y=-425，在該面上顯示速度矢量圖

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3)?各面的速度云圖

在XY平面上創(chuàng)建各個面，顯示各面的速度云圖如下。

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4)?Wall面上的靜壓分布云圖

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