Star|Star CCM+多孔介质仿真 (一）——仿真流程 Star|CCM+

目录
多孔介质简介
催化剂流动仿真
正交异性多孔区域的设置
多孔介质简介多孔介质是渗入了由气体、液体或多相混合物填充的大量孔隙的固体材料。这些孔隙本质上可能相对精细（如同多孔岩石中一样）或粗糙（蜂巢结构和金属丝网）。导热相可以是流体和/或固体材料。孔隙可允许流体流和组分扩散；同样，热量、电流、磁场和声能等可能会通过流体和/或固体材料传输。
多孔介质的两个概念：

孔隙率，定义为用于传输流体的多孔介质内的开放体积与总体积之比。
迂曲率，定义为通过多孔介质的实际路径长度（从一点到另一点）与这两点之间的直线距离之比。

在很多仿真应用中，不必以全三维真实感复制多孔结构，而是可以使用损耗系数近似表示此类结构。多孔介质的常见应用情景：

过滤和流体调节：蜂巢结构、网格、海绵和纤维材料
排气组件：消声器、催化转化器装配和挡板
燃料电池组件
锂离子电池设计和优化
填充层化学反应器
表示热交换器单元
表示更大结构内的小组件（例如，大型结构（如建筑和油气设施）环流）

在多孔介质区域，单位长度的理论压降可以用下式确定：

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其中，v是通过介质的表观速度（superficial velocity），

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和

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分别是决定多孔介质阻力的惯性阻力系数和粘性阻力系数。这两个系数可以通过实验获得，或者通过经验公式计算。
Star CCM+中提供了多孔区域仿真模型，下面以帮助文档中一个简单几何体流动案例介绍Star CCM+中多孔介质的仿真过程。
催化剂流动仿真几何体如下图所示，中间催化剂的长度为0.03m，直径0.1m。假设催化剂为各向同性介质，惯性阻力系数

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，粘性阻力系数

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.

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新建simulation，命名为isotropic_case。
导入网格文件

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在Continua下新建物理模型，并重命名为Air

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右键Air选择model，首先一次选择下图右侧一列的选项（自动选择是默认开启的），然后Viscous Regime选择Turbulent选项。

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在选择Turbulent选项之后将底部的自动选择关闭，然后选择K-Epsilon Turbulent选项，然后完成下图中的其他选择项。
【Star|Star CCM+多孔介质仿真 (一）——仿真流程】

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最终的model如下图所示

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设置边界条件：
入口：选择Regions -> Fluid -> Boundaries -> inlet -> Turbulence Specification节点，在Properties对话框中将Method设置为Intensity+Length Scale

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在Inlet -> Physics values节点下，设置Turbulence Intensity为0.05，Turbulent Length Scale为0.005m，入口速度大小Velocity Magnitude为20m/s.

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出口边界pressure读入的文件中已经设置为压力出口（pressure outlet），出口表压为0Pa，其他参数用默认值。
多孔区域设置：
本案例中假设多孔区域为各向同性介质，惯性和粘性阻力系数在各个方向上均为同一常数。
选择Regions -> Porous节点，在Properties对话框中将区域类型Type改为Porous Region，改完后可以看到Porous前面图标的颜色发生了变化。

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在Regions -> Porous -> Physics Conditions -> Turbulence Specification节点下，修改Method为Intensity+Length Scale。

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设置阻力系数，在Regions -> Porous -> Physics Values -> Porous Inertial Resistance -> Principal Tensor节点下，选择XX,YY,ZZ三个分量，在Properties对话框中修改Value为25 kg/m4

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粘性阻力系数设置方法同上，Value为1500.0 kg/m^3-s

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Turbulence Intensity改为0.1

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其他参数保持默认值。该案例中只计算稳态情况下多孔区域对速度和压力的影响，不考虑传热等问题，也就是说该计算只涉及到连续性方程和动量方程，不涉及能量方程，Porosity和Tortuosity在这种情况下没有用到，可以忽略。这类似于在计算稳态传热问题时，材料的密度和比热容可以忽略，即使错误的值也不影响结果。
创建监测对象
多孔区域的压降：右键Report节点，选择New Report -> Surface Average

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重命名为Average Upstream Pressure，然后选择高压位置为Porous的上游交界面Upstream Interface [In-place 2]，Field Function选择Pressure

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右键单击刚创建的Average Upstream Pressure，选择copy单击。

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右键Reports，选择Paste

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出现一个复制的文件

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重命名为Average Downstream Pressure。并修改其对应的Parts为Downstream Interface [In-place 1]，OK。

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右键单击Reports，选择Expression，创建一个Expression 1，重命名为Porous Region Pressure Drop

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定义express的公式为${Average Upstream Pressure} - ${Average Downstream Pressure}，OK

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定义完成后为其创建Monitor和Plot

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质量流量：方法类似，重命名为Mass Flow Rate，位置选择上游交界面Upstream Interface [In-place 2]，不要选择Upstream Interface。然后创建Monitor和Plot

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最终创建结果

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设置计算停止标准：
右键Monitor -> Porous Region Pressure Drop -> Create Stopping Criterion from Monitor

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Stopping Criteria树节点下会生成名为Porous Region Pressure Drop Monitor Criterion新节点

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选择该新节点，在Properties对话框中将Criterion Option修改为Asymptotic

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选择Asymptotic Limit，在Properties中修改|Max-Min|为0.02，并确定Normalized为开启状态。

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在10个迭代步内，最大值与最小值之间相差不超过平均值的2%则视为满足标准，及认为计算收敛（接近收敛）
创建计算结果的Scene视图：
右键Scenes节点，选择New Scene -> Vector，创建一个Vector视图，Vector Scene会自动打开。

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创建一个视图剖面：右键Derived Parts节点，选择New Part -> Section -> Plane

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修改Plane Parameter下的Normal的x分量为1，其他为0，可以再右侧视图中看到剖面的位置，最后点击Create

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切换到Vector Scene 1下，将Displayers下的Vector 1删除。

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在Outline的Parts中只选择刚创建的剖面Plane Section。

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右侧视图就有剖面的轮廓了

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运行计算查看结果，整体的速度矢量图如下

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选择Derived Parts -> Plane Section，在Properties中修改Parts为只包含Porous，OK。

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Vector Scene 1就变成这样，只显示多孔区域了。再调整一下color bar，得到

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可以看到，在多孔区域各个方向的速度都存在，这与各向同性的假设是一致的。
按住Ctrl，多选Reports中的Mass Flow Rate和Porous Region Pressure Drop，右键单击选择Run Report，在Output中会输出数据

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可以看到，质量流量为0.029 kg/s，多孔区域的整体压降为140.36Pa。空气的密度1.18415 kg/m3，多孔区域的直径为0.1m，面积约为0.00785m^2，则表观速度为

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多孔区域长度L=0.03m，惯性阻力系数和粘性阻力系数分别为25kg/m4和1500kg/m3-s，根据公式

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，可以计算出该多孔区域的总压降为147.68Pa，与上述计算结果的相对误差在10%以内。
正交异性多孔区域的设置正交异性多孔介质的仿真计算过程与各向同性类似，关键在于阻力系数的设置。
打开前面计算的isotropic_case.sim，另存为orthotropic_case。
定义初始条件：选择Continua -> Air -> Initial Conditions -> Velocity节点，在properties中修改Value为[0，-3，0]，即设定初始流场为均匀流速场，速度方向沿y轴负向，大小为3m/s。设定初始条件可以节约计算收敛的时间，初始条件与最终收敛结果越接近，那么通过计算得到收敛结果所需要的迭代次数就越少。

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在Regions -> Porous -> Physics Values -> Porous Inertial Resistance –Principal Tensor下，多选XX和ZZ分量，修改Value值为10000，YY分量保持原来的25.同样修改Porous Viscous Resistance的XX和ZZ分量为100000，YY分量保持原来的1500.这代表多孔区域在不同方向的阻力不同，x和z方向的阻力要远大于y方向。