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2020 - 09 - 26
翻译:赵亚  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1320字,阅读时间预计5分钟编者按上周我们谈到多相流的分类及仿真方法,如果大家记忆有些模糊的话,点此链接来回忆上篇内容吧!接下来作者会进行案例分析和行业解决方案解析,展示ANSYS在多相流仿真领域的运用。多相流仿真展望即使当今多相流仿真功能已经十分强大,但是工程师仍在努力推进多相流仿真的边界。他们将融入并模拟更多的物理模型:物化反应、运动...
2020 - 09 - 23
翻译:赵亚  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1785字,阅读时间预计6分钟编者按作者分析了多相流的分类、仿真方法及未来发展方向,深入剖析了真实的产品案例和行业解决方案,并提出ANSYS仿真工具可以快速、高效地解决产品设计在多相流仿真中遇到的挑战,为企业的产品设计和生产节约成本。无论是设计高超声速运载工具的除冰系统、进行血液酶测试,还是输送和熔化稀有金属粉末化合物以进行增材制造,或是为...
2020 - 09 - 16
作者:陈诗佳  上海交通大学-巴黎高科卓越工程师学院谢文丽  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1755字,阅读时间预计6分钟编者按作者使用Flownex对垃圾处理中心通风系统的局部管线进行模拟,对敞开式处理车间和封闭罐装设备的环境通风系统做出整体评估,并提出改进建议,同时对管线上的风机选型提出明确要求。研究目的随着国内环境三废处理规范要求越来越明细化,各种环保处理工...
2020 - 09 - 09
作者:吴华春  上海安世亚太结构应用工程师本文共计1042字,阅读时间预计4分钟编者按作者挑选了一个简单的球型拉伸模,来观察此模具在不同加载速度下可承受的等效应力值,以此判断相同时间内,该模具最快可加工多少产品。此模拟仿真案例可为企业生产效率及经济效益的提高提供相关的思考。概述在现代工业生产中,效率始终是各行各业考虑的要点,尤其对模具行业来讲,效率更是重中之重。同样的产品、模具和工艺,如...
2020 - 09 - 02
作者:高征宇 上海安世亚太流体应用工程师本文共计1709字,阅读时间预计6分钟编者按作者利用ANSYS Icepak和SIwave的双向耦合技术,分析了PCB的布线导热率分布、铜线焦耳热及其温度对导热率的影响,以此得到与真实情况最为相近的结果,用于评估发热问题。此方法可为企业设计与生产节约大量的时间及产品成本。印刷电路板(Printed Circuit Boards,以下简称PCB)是由绝缘介质(...
2020 - 08 - 26
作者:李桂花  安世亚太结构应用工程师本文共计422字,阅读时间预计2分钟编者按作者利用ANSYS单元的生死功能,通过修改单元刚度的方式,模拟出牛郎织女七夕节鹊桥相会的场景,让仿真充满生活气息,趣味十足。今天教大家用ANSYS单元生死技术做一个高端大气上档次的鹊桥相会。操作步骤第一步:建模模型很简单,一座拱桥,两颗爱心。第二步,画网格选择插入method,选择Body Fitted Ca...

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多孔介质渗流现象
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多孔介质渗流现象

介绍

渗流的概念


渗流是指流体在多孔介质内的流动。渗流现象广泛存在于人造材料和自然界中。如地下水的开发、石油的开发、天然气收集、煤炭的开采等都需要对渗流进行分析研究。

多孔介质渗流现象

渗流力学主要研究流体在多孔介质内的运动规律,是流体力学的一个分支。

但同时又与多孔介质理论、表面物理、物理化学、固体力学和生物学等学科交叉渗透,是一门综合的学科。当前的研究主要集中在单相渗流理论、多相渗流理论、双重介质渗流理论、渗流基本定律和多孔介质理论。


渗流理论的应用面也很广。

如在生物医疗领域、海水入侵,水利水电工程、农林工程、冻土工程等都需要对渗流进行分析。


研究渗流区域内水头或地下水位的分布,渗流对建筑物基底的作用力,区域内渗流量,渗流速度以及渗流对多孔结构的影响等。


按其应用范围,大致可以划分为地下渗流、工程渗流、生物渗流3个方面。


CFD仿真在多孔介质中的运用

ANSYS Fluent 中Porous Zone可以分析液体在多孔介质中的流动趋势。


本次以简单模型,模拟液体在多孔介质内的流动情况。

多孔介质渗流现象

▲上图阴影区域对应下面视频中的多孔介质区域


渗透与渗流

输入

实际生活中往往观察到的是液体向固体缝隙内部渗透的现象,为了分析这一现象,我们引入了渗流概念。

渗透

地下水在岩石孔隙或多孔介质中的运动,液体在弯曲孔隙中流动,速度各不相同。为了研究地下水的整体运动特征,引入渗流的概念。


渗流

具有实际水流的运动特点(流量、水头、压力、渗透阻力),并连续充满整个含水层空间的一种虚拟水流;是用以代替真实地下水流的一种假想水流


其特点是 >>

(1)假想水流的性质与真实地下水流相同;

(2)充满含水层空隙空间和岩石颗粒所占据的空间;

(3)运动时所受的阻力与实际水流所受阻力相等;

(4)通过任一断面的流量及任一点的压力或水头与实际水流相同。


渗流场

渗流场是指假想水流所占据的空间区域,包括空隙和岩石颗粒所占的全部空间。

多孔介质渗流现象

普通管道中的水流

多孔介质渗流现象

孔隙介质实际流线

多孔介质渗流现象

假想的流动


多孔介质


输入


渗流受多孔介质特性影响。天然和人造的多孔介质普遍具有下列特征:空隙尺寸微小;比表面积数值很大。

多孔介质的特征使渗流具有下述特点

表面分子力作用显著,毛细管作用突出;

◆ 流动阻力较大,流动速度一般较慢,惯性力往往可忽略不计。


多孔介质的性质

A

孔隙性  有效孔隙和死端孔隙

◆ 孔隙度:是多孔介质中孔隙体积与多孔介质总体积之比

◆ 有效孔隙:是多孔介质中相互连通的、不为结合水所占据的那一部分孔隙。

◆ 有效孔隙度:是多孔介质中有效孔隙体积与多孔介质总体积之比。

◆ 死端孔隙:是多孔介质中一端与其他孔隙连通、另一端是封闭的孔隙。


B

连通性  封闭和畅通、有效和无效


C

压缩性  固体颗粒和孔隙的压缩系数推导


D

多相性  固液气三相可共存


影响渗流的各种力

输入


油、气、水能够在多孔介质中渗流主要受以下几种力的作用:

1.流体的重力

重力可能是动力也可能是阻力


2.多孔介质的压缩性及流体的弹性力


油气存在于地下岩层内,未开采时岩石和流体都处于均衡受压的平衡状态。随着油气的不断开采,油气层内的压力逐渐降低,上覆岩层和油层内压力差逐渐增大,会导致岩石变形,造成岩石孔隙度减小即内部孔隙体积减小,多孔介质内流体逐渐向压力低的方向流动。渗流方向也发生改变。


3.毛管力

多孔介质可以看成是固体内部存在许多个毛细管,这些毛细管散乱分布,互相连通。发生渗流时一种流体驱替另一种流体,在两种流体交界面上产生压力跳跃,这个压力就称为毛管压力。


4.流体的粘性及粘滞力

流体在流动时,不同流速的流体间受分子间内聚力的影响会产生相互作用力,使速度低的加速,速度高的受到限制,流体的这种属性称为粘性。


流体的粘性与流体的种类温度以及压力相关。


在渗流中,粘滞力为阻力,且动力消耗主要用于渗流时克服流体粘滞阻力。


渗流的驱动类型

输入


渗流的驱动类型主要有:重力水压驱动、弹性驱动、气压驱动、溶解驱动以及重力驱动。

 重力水压驱动:利用水深压力或人工注水产生水压来驱动。


◆ 弹性驱动:由于一侧压力下降引起的岩石及液体的弹性膨胀。


◆ 气压驱动:利用不溶于液体的气体,增加气体压力来驱动。


◆ 溶解气驱:当压力低于饱和压力时,不断分离的溶解气驱动油层的方式。


◆ 重力驱动:受重力作用引起的流动。


渗流过程一般受多种驱动方式作用,一种起主要作用,其他起辅助作用。随着渗流过程的变化,驱动方式也会发展变化。


浸润性对渗流的影响

输入

浸润

指液体与固体接触时,液体会逐渐渗入或附着在固体表面的现象,该种液体相对于此固体为浸润液体。


不浸润

液固接触时,液体不会沿固体表面附着也不会渗透到固体内部的现象,该液体相对于此固体为不浸润液体。


浸润和不浸润主要受分子作用力影响。

◆ 如果附着层内分子间的距离大于液体内部分子间的距离,分子间的作用表现为引力,附着层有收缩的趋势,就像液体表面张力的作用一样,这样液体和固体之间表现为不浸润


◆ 如果附着层内分子间的距离小于液体内部分子间的距离,分子间的作用力表现为斥力,附着层有扩展的趋势,液体与固体之间表现为浸润

多孔介质渗流现象


影响浸润性的因素

在一定条件下,浸润性与温度、压力等因素有关


流体的性质等因素也可能影响固体表面的浸润性。例如,含有表面活性物质的流体与固体表面接触后,可能改变后者的浸润性。


有些固体表面的浸润性呈现复杂的状态例如,由于曾经与不同的液体接触,在同一块储油岩石上可能出现亲油表面和亲水表面同时存在的现象。


浸润性对技术生产的影响

不同的液体固体浸润性不同,流体在多孔介质中运动的规律也不同,进而也会影响工业农业的生产过程


例如,不同地质地矿下储油岩石的浸润性不同,则渗流力学计算方法、油田开发原则和生产控制措施都不同。


渗透率

输入


渗透率是在渗流力学中用来衡量流动特性的物理量。


多孔介质内部存在许多允许流体流过的细小空间的性质称为渗透性,用来衡量渗透性强弱的物理量称为渗透率。


举个例子

在能源开采方面,地层渗透率愈大,生产能力及采收率也愈大。有研究表明:岩石的浸润程度对于基质吸渗速度有显著影响。一般亲水性越强,渗透率越高,吸渗排油越快,采油速度也越快。


渗透率值计算

渗透率值由达西定律计算可得,计量单位为毫达西,符号为mD。渗透率的SI单位制为平方微米。两者的换算系数为1mD=0.0009869平方微米。工程上常用达西和千分达西,即千分之一达西。一般砂岩油层的渗透率为200~1000千分达西。


总结

输入

由于多孔介质的结构复杂,对流体流动特性影响较大,分析渗流速度及渗流时间在结构建筑、工业开采中非常重要。如今可以用CFD仿真技术详细分析多孔区域内部的流体流动,为工业发展提供科学的依据。

想要了解多孔介质仿真的更多操作

可持续关注【上海安世亚太】公众号


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2020 - 09 - 26
翻译:赵亚  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1320字,阅读时间预计5分钟编者按上周我们谈到多相流的分类及仿真方法,如果大家记忆有些模糊的话,点此链接来回忆上篇内容吧!接下来作者会进行案例分析和行业解决方案解析,展示ANSYS在多相流仿真领域的运用。多相流仿真展望即使当今多相流仿真功能已经十分强大,但是工程师仍在努力推进多相流仿真的边界。他们将融入并模拟更多的物理模型:物化反应、运动物体、高速、尺寸变化、相变和热交换,并解决更大规模物理系统的问题。例如,一家能源生产商对油水重力分离器进行了模拟,网格总数超过10亿个单元。除了石油和天然气,化工、电力、汽车、航空航天和海工装备等工业领域也在更多地应用多相流模拟。例如,泳装生产厂商Speedo应用多相流模拟优化护目镜设计。相比于游泳者体型,液滴尺寸非常小,护目镜模拟需要高精度网格捕捉液滴作用力。水膜厚度至少需要10个网格单元解析计算,进而导致网格总数急剧增加。▲ Speedo应用多相流模拟设计高性能泳镜,由Speedo提供。多相流仿真案例分享:全自动洗碗机为了优化全自动洗碗机的能量使用效率和用水量,工程师运用多相流和多物理场模拟多种流型变化:从旋转臂上的喷嘴喷出的射流、射流飞溅在餐具上形成水膜、液膜或水滴从餐具上滑落以及旋转臂下的积水过程。他们使用ANSYS Fluent的拉格朗日方法模拟了水喷射流以及液滴从旋转喷射臂到餐具的完整运动过程。■ 拉格朗日液膜模型准确模拟了喷射水流冲击餐具形成薄膜的过程,并可计算薄膜厚度、覆盖率以及其受喷射臂设计因子的影响。■ VOF模型用于模拟重力引起的流动以及液膜和液滴滑落到洗碗机底部积水池的过程。■ 蒸发和冷凝模型模拟了干燥过程。全自动洗碗机的多相流模拟只是其完整的多物理场系统仿真的一部分,完整仿真流程还包括:ANSYS SpaceClaim快速创建...
2020 - 09 - 23
翻译:赵亚  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1785字,阅读时间预计6分钟编者按作者分析了多相流的分类、仿真方法及未来发展方向,深入剖析了真实的产品案例和行业解决方案,并提出ANSYS仿真工具可以快速、高效地解决产品设计在多相流仿真中遇到的挑战,为企业的产品设计和生产节约成本。无论是设计高超声速运载工具的除冰系统、进行血液酶测试,还是输送和熔化稀有金属粉末化合物以进行增材制造,或是为偏远地区配制一套过滤系统以提供洁净的饮用水,工程师都需要考虑液体、固体和气体之间的相互作用。在这些不尽相同的多相流应用中,每一种仿真都需要不同的建模方法。40多年来,ANSYS开发了可以精确模拟多相流的仿真工具,已经被广泛运用在各个工业领域,以预测产品性能。精确的多相流仿真依赖于精确的物理模型精确的多相流模拟依赖于各相之间的机械、热和化学相互作用的精确预测,但是观测这些物理过程成本高昂甚至会遇到难以观测的问题。现在,工程师可以依靠多相流建模与仿真技术,深入了解并掌握提高效率、产量、安全性、可靠性的要素。■ 多相流模拟可以展现随地点位置变化的流型状态。例如,油气井底的流型可能完全是单相液体,但随着高度升高,气泡逐渐生成,流型会过渡到多相状态。因此在此类物理过程中,在不同的地点位置需要设置不同的多相流模型。■ 多相流模拟比单相流模拟的难度更高。完整描述多相流需要求解每一相的质量、动量和能量方程以及各相之间的相互作用。由于物理现象的多样性和多种流型同时存在的可能性,各相之间的合理模拟变得至关重要。▲ 油气井底部可能完全充满液体,但在上升过程中,压力下降,由于溶解气体析出,流型将过渡到气泡流。油气井仿真需要多种多相流模型精确的模拟不同井深处的特殊流型。自由表面流自由表面流包括两种或更多种不混溶的流体,每种流体被假定为在大部分流域具有连续性特征。每种流体有明显可识别的流动...
2020 - 09 - 16
作者:陈诗佳  上海交通大学-巴黎高科卓越工程师学院谢文丽  上海安世亚太流体应用工程师本文共计1755字,阅读时间预计6分钟编者按作者使用Flownex对垃圾处理中心通风系统的局部管线进行模拟,对敞开式处理车间和封闭罐装设备的环境通风系统做出整体评估,并提出改进建议,同时对管线上的风机选型提出明确要求。研究目的随着国内环境三废处理规范要求越来越明细化,各种环保处理工艺可以说是百花齐放。但由于环保处理的对象具有极其复杂的来源,因此各种工艺和设备的处理效率仍需不断提高。这里就针对有机质固废集中处理中心的敞开式处理车间(低浓度臭气)和封闭罐装设备(高浓度臭气)的环境通风系统做一个评估。■ 处理车间的臭气产生量与处理废弃物种类、处理量、停留时间有关,这种环境下空气的换气率指标是有相应标准限定的。■ 对于封闭罐装设备来说,高浓度臭气的产量与种类、储量、时间、压力、温度等参数相关。有了这些基础数据以后,一般通风系统的管道布置设计就可以开始了,同时可以进行风机选型。由于垃圾处理中心处理的种类随着季节、处理量而变化,通风系统需要随之重新改造或升级。因此,对现有通风系统的评估和改造是相关企业经常面临的事。本文使用集成CFD程序的一维管网系统设计软件——Flownex,对垃圾处理中心的通风管路系统的局部管线进行模拟,评估现有运行参数下每一个吸风口的风量,并提出改进建议,同时对管线上的风机选型提出明确要求。Flownex软件简介Flownex是一款优秀的一维管网系统热流体设计、优化软件。■ 它在电力、核能、化工、船舶、燃机、建筑、天然气管网、航站楼飞机供油管路系统等领域都有广泛的运用。■ 它含有丰富的过流元件(图1所示)(如管道、阀门、换热器)、流动控制元件、动力元件(风机、水泵、压缩机、锅炉、燃烧室、核电反应堆等)、从动元件(汽轮机...
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