متخلخل

محیط متخلخل (Porous Medium) چیست؟

محیط متخلخل ماده‌ای است که حاوی منافذ یا فضاهای بین مواد جامد است که مایع یا گاز از آن عبور می‌کند. نمونه‌هایی از محیط‌های متخلخل طبیعی شامل ماسه، خاک و برخی از انواع سنگ‌ها مانند پوکه و ماسه سنگ است. اسفنج‌ها، سرامیک‌ها و فوم مشبک نیز برای استفاده به عنوان محیط متخلخل تولید می‌شوند. کاربردهای احتمالی این مواد در علم، صنعت و زندگی روزمره بسیار گسترده است، اگرچه شاید بیشتر از آنها به عنوان فیلتر استفاده می‌شود. از نظر فیزیکی، یک محیط متخلخل را می‌توان از مواد دیگر (از جمله سایر محیط‌های متخلخل) با ضریب تخلخل (porosity) یا سایز منافذ آن متمایز کرد. مواد با ضریب تخلخل کم نفوذپذیری کمتری دارند و معمولاً دارای منافذ کوچک‌تری هستند که عبور گاز یا مایع را از آنها دشوارتر می‌کند، درحالی که مواد با ضریب تخلخل بالا دارای منافذ بزرگ هستند و به راحتی نفوذپذیر می‌شوند. ضریب تخلخل یک نکته مهم در فیلتر کردن است، زیرا اگر قرار است ذرات توسط یک محیط متخلخل حذف شوند، منافذ باید به اندازه کافی کوچک باشند تا به طور موثر آنها را به دام بیندازند. همچنین زمین شناسان زمان انجام مشاهدات مخازن نفت و گاز طبیعی، ضریب تخلخل سنگ و خاک اطراف را درنظر می‌گیرند. گاز طبیعی محبوس شده در سنگ‌های کم تخلخل به عنوان “tight gas” شناخته می‌شود و دسترسی به آن نسبت به سایر ذخایر دشوارتر است.

محدوده ضریب تخلخل از درصد کم در سنگ رست متراکم تا حدود 50 درصد در ماسه و تا 70 درصد در خاک رس متغیر است. مواد مصنوعی می‌توانند حتی متخلخل‌تر باشند. به عنوان مثال، فوم مشبک، یک محیط متخلخل مورد استفاده در فیلترهای تهویه مطبوع و اپلیکاتورهای لوازم آرایشی، دارای تخلخل تا 98٪ است.

شبیه سازی محیط متخلخل در نرم افزار  ANSYS Fluent

مدل محیط متخلخل را می‌توان برای طیف گسترده‌ای از مسائل تک‌فاز و چندفاز، از جمله جریان از طریق بسترهای پک شده (packed beds)، کاغذهای فیلتری، صفحات سوراخ‌دار، توزیع کننده‌های جریان و لبه‌های لوله (tube banks) استفاده کرد. وقتی که از این مدل استفاده می‌کنید، یک ناحیه سلولی از دامنه محاسباتی را تعریف می‌کنید که در آن مدل محیط متخلخل اعمال می‌شود و افت فشار در جریان تعیین می‌شود. انتقال حرارت از طریق محیط را نیز می‌توان با فرض تعادل حرارتی بین محیط و جریان سیال بیان کرد.

مدل‌های محیط متخلخل برای جریان‌های تک‌فاز و جریان‌های چندفازی از فرمول متخلخل با سرعت سطحی به عنوان پیش فرض استفاده می‌کنند. نرم افزار ANSYS Fluent سرعت فاز یا مخلوط را براساس نرخ جریان حجمی در یک ناحیه متخلخل محاسبه می‌کند. با این حال، توجه به موارد زیر برای جریان چند فاز مهم است:

• در مدل چندفازی اویلرین (Eulerian)، رویکرد مدل‌سازی محیط متخلخل عمومی، قوانین فیزیکی و معادلات شرح داده شده در زیر به فاز مربوطه برای پایستگی جرم، مومنتوم، انرژی و سایر معادلات اسکالر اعمال می‌شوند.
• فرمول متخلخل با سرعت عموماً ارائه بیان از افت فشار بالک از طریق یک ناحیه متخلخل ارائه می‌دهد. با این حال، از آنجایی که مقادیر سرعت درون یک منطقه متخلخل مانند مقادیر خارج از منطقه متخلخل باقی می‌ماند، نمی‌تواند افزایش سرعت را در مناطق متخلخل پیش‌بینی کند، بنابراین دقت مدل را محدود می‌کند.

محیط‌های متخلخل با افزودن یک ترم منبع مومنتوم به معادلات استاندارد جریان سیال مدلسازی می‌شوند. ترم منبع شامل دو بخش است: یک ترم افت ویسکوز (Darcy) و یک ترم افت اینرسی.

جایی که ترم منبع برای معادله مومنتوم i ام (x، y، یا z) است، V بزرگی سرعت است، و D و C ماتریس‌های تجویز شده هستند.این سینک مومنتوم به گرادیان فشار در سلول متخلخل کمک میکند و افت فشاری متناسب با سرعت سیال (یا سرعت مربع) در سلول ایجاد می‌کند.

برای گسترش دانش خود در مورد این مدل و کاربرد آن در زمینه‌های صنعتی و دانشگاهی و همچنین نحوه استفاده از آن در نرم افزار Ansys Fluent، می‌توانید با کلیک برروی لینک، وارد تب Porous شوید تا پروژه‌های بیشتری را پیدا کنید. به عنوان مثال با استفاده از این روش، شبیه‌سازی زیر یک میکسر متخلخل را برای افزایش انتقال حرارت نانوسیال مدل‌سازی می‌کند.

میکسر متخلخل، انتقال حرارت نانوسیال

گروه پردازشگران مهر، متخصص در زمینه شبیه‌سازی محیط متخلخل

گروه پردازشگران مهر با چندین سال تجربه در شبیه‌سازی مسائل مختلف در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم‌افزار ANSYS Fluent آماده ارائه خدمات گسترده مدل‌سازی، مش‌بندی و شبیه‌سازی براساس نیاز مشتریان می‌باشد. خدمات شبیه سازی برای شبیه سازی‌های محیط متخلخل به شرح زیر دسته‌بندی می‌شوند:

• احتراق پیش آمیخته در ناحیه متخلخل
• جریان آب در محیط‌های متخلخل
• جریان چندفازی در محیط متخلخل
• نفوذ آب به یک بلوک بتنی متخلخل
• میکسر متخلخل برای افزایش انتقال حرارت نانوسیال
• انتقال حرارت غیرتعادلی در هیت سینک فوم آلومینیومی متخلخل
• و ..…

شما می‌توانید محصولات مرتبط را در دسته بندی‌های ذکر شده در بالا در فروشگاه CFD ما با کلیک برروی لینک زیر بیابید:

https://www.ansysfluent.ir/shop/non-equilibrium-porous-aluminum-foam-heat-sink/

خدمات ما محدود به موضوع ذکر شده نیست و گروه پردازشگران مهر آماده انجام پروژه‌های متفاوت و چالش برانگیز است. شما می‌توانید به صورت رایگان و بدون هزینه با کارشناسان ما مشورت کرده و با ارسال جزئیات مسأله به ما از طریق آدرس زیر، پروژه خود را سفارش بدهید.

[email protected]