多孔介质中的传质

计算科学 pde 流体动力学 边界条件
2021-12-16 09:43:08

我的目标是数值求解以下形式的对流扩散方程:

Ct=(DC)(vC)

C是浓度和D是扩散常数。我在多孔介质的小型平板模型上对此进行模拟。

平板模型图片

我假设流体从右到左穿过多孔介质板,气体在多孔介质内从上到下发生流动,气体和流体之间发生质量传递。我在商业求解器中对此进行建模。

我将质量流量分配给流体入口,并将恒定压力分配给流体出口以模拟流体流动。

我一直在为气流建模时遇到问题。我尝试通过在多孔介质的入口和出口分配恒定压力来设置梯度,但这似乎不正确。

我开始认为我的方法存在更根本的问题。

我的问题:将入口和出口处的气体压力或质量通量分配给多孔域是否正确?

在与流体区域的界面处是否也需要质量通量?是否有用于模拟气体通量的特定方法?

4个回答

我假设您的流体相是液体,例如水。

如果是这样的话,你有液体和气体,以及多孔材料,因此你在液体中有毛细压力。在微观尺度上,这由 Young-Laplace 方程描述。在宏观尺度上,您的流量是不饱和流量问题。

毛细管压力取决于含水量密度。它是液体含量和毛细管压力之间的半经验关系,称为再吸收曲线。此类问题已在土力学和土木工程中进行了研究,包括混凝土建模。水力传导率是强非线性的,当含水量下降时,它会迅速下降到非常小的值(到零)。

你可以找到几个为土壤开发的模型,最流行的是 Van Genuchten 模型,它与 Richards 方程一起应用,给出了强非线性抛物方程。

我不知道你解决问题的确切条件,但它可能为时过早,你试图解决的现象是由对流扩散方程驱动的。

如果您有兴趣,我有使用混合公式(使用 RT 元素)的不饱和流动的免费/开放代码,可以相对容易地推广到气相流动的情况。

关于您的问题,您喜欢应用哪些边界条件,具体取决于您对流体相的了解,如果您现在对两侧施加压力,则应用它。如果您测量流入量,请应用它。

由于您正在尝试解决标量场C,在这种情况下,您应该担心原始变量的边界条件C,注入水或气体将描述速度场v不可压缩(v=0) 或不 (v0)。

另一方面,如果您正在求解速度场v使用 CFD 求解器,那么您正在模拟两种流动的混合,在这种情况下,在入口处施加速度并在出口处施加压力可能是解决问题的好方法。

既然你问的是一个很笼统的问题,我会回答一个笼统的答案。

在描述不可压缩流动时,我们使用速度入口边界条件(例如均匀、抛物线等)和恒压出口边界条件(例如大气压)。

在膜侧指定质量通量边界条件,该条件取决于梯度C跨膜:

DC=k(CC0)

在哪里Dk分别是扩散系数和传质系数。通常,这些是通过所谓的舍伍德关系相关的,其中舍伍德数Sh=kL/DL是特征长度尺度(例如膜厚度)。

这些舍伍德关系是雷诺数的函数Re=UL/ν在哪里ν是运动粘度和U是平均流体速度。以这种方式,跨膜的质量传递与流体流动相耦合。

既然你问的是一个很笼统的问题,我会回答一个笼统的答案。

我喜欢这个。我将解决以下问题:

在与流体区域的界面处是否也需要质量通量?是否有用于模拟气体通量的特定方法?

边界条件 (BC) 是涉及问题变量的规定行为。添加的越多,描述的问题就越多;至少从计算机代码的角度来看。由于您正在求解标量值浓度C,那么您可以规定的一个常见 BC 是Robin 边界条件(有关详细信息,请参阅上一个链接):

aC+bCn=g.

请注意,上述方程中的 Neumann 分量;IEbCn是研究边界处的正常浓度通量的良好开端。通常,如果您需要为感兴趣的变量指定绝缘条件,这些对于此类问题非常有用;即来自维基百科:

Robin 边界条件是对流-扩散方程的绝缘边界条件的一般形式。在这里,边界处的对流和扩散通量总和为零:

ux(0)c(0)Dc(0)x=0

因此,我建议在这种情况下进一步研究 Robin BC,以了解这些可能带来的优势,在界面处施加质量通量方面,这确实是每个单独子体积的边界。