多孔質媒体流れモジュール

多孔質媒体における質量, 運動量, およびエネルギーの輸送をモデル化

COMSOL Multiphysics® ソフトウェアのアドオンである多孔質媒体流れモジュールを使用することで, 多くの自然および人工的なシステムに見られる複雑な多孔質媒体構造を解析することができます. 多孔質媒体流れモジュールには, ダルシー則, ブリンクマン方程式, リチャーズ方程式に基づく多孔質媒体中の単相流のほか, 亀裂の流れや, 自由流れと多孔質媒体流れの組み合わせをモデル化する機能が含まれています.

最も現実的で正確なモデルの場合, マルチフィジックス機能には, 多孔質媒体内の非等温流, 多成分系の効果的な特性, 多孔質弾性, および水分と化学種の輸送が含まれます.

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ティール, パープル, ブルーのカラーグラデーションと白い流線で示される多孔質媒体の流れを持つ灰色のタンクモデル.

さまざまな産業プロセスを最適化する

高度な多孔質媒体モデリングの必要性は, 製薬業界や食品業界など, 多くの業界やアプリケーションに及びます. 多孔質媒体流れモジュールは, さまざまな業界の農業, 化学, 土木, 原子力のエンジニアや科学者が多孔質媒体の流れを解析し, 設計とプロセスを最適化するのに役立ちます.

シミュレーションは, ナノマテリアル, 多孔質反応器, 電子部品の冷却, および大規模な地盤工学アプリケーションをモデル化するときに, 輸送プロセスに対する多孔質媒体の影響をキャプチャするために使用できます. COMSOL Multiphysics® は, フィジックスインターフェースにパッケージ化された包括的なモデリングツールのセットを提供します.これらのツールは, モデリングする多孔質媒体の流れのタイプに固有の方程式を自動的に設定して解きます.

多孔質媒体流れモジュールの特徴と機能

多孔質体流れモジュールは, 多孔質体の様々なプロセスを考慮した特殊な機能を備えています.

層状ダルシーの法則のインターフェースが強調表示されたモデルビルダーのクローズアップ図と, 薄い多孔質層モデルの結果の圧力プロット.

多孔質媒体中の遅い流れ

ダルシーの法則は, 主に圧力勾配によって駆動される完全に飽和した多孔質媒体内の隙間を通る流体の動きを説明しており, 流体のせん断応力による運動量の輸送は無視できます. ダルシーの法則のインターフェースが圧力を計算し, 速度場は圧力勾配, 流体の粘度, および浸透率によって決定されます. 層状ダルシーの法則のインターフェースは, 板紙, 複合材料, 合板などの層状多孔質媒体の隙間を通る流体の流れをシミュレートするために使用できます.

リチャーズ式モデルノードが強調表示されたモデルビルダーのクローズアップ図と, グラフィックウィンドウでの迅速な検出テスト.

可変飽和多孔質媒体の流れ

リチャーズの式は, 部分的に飽和した多孔質媒体内の水の動きを説明し, 流体が多孔質媒体を通って移動し, 一部の細孔を満たし, 他の細孔を排出するときの水力特性の変化を説明します. リチャーズの式インターフェースには, van Genuchten モデルや Brooks–Corey モデルなど, 選択可能な体液貯留モデルが組み込まれています. ダルシーの法則のインターフェースと同様に, 圧力のみが計算されます. リチャーズ式は, 水理特性が飽和度に基づいて変化するため非線形であり, 計算ソフトウェアなしで解くのは困難です.

流体と破壊のプロパティノードが選択され, グラフィックスウィンドウにセラミック水フィルターモデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

亀裂流れ

多孔質媒体内の亀裂は, 多孔質マトリックスを通る流れの特性に影響を与えます. 亀裂流れインターフェースは, ユーザーが定義した開口部に基づいて, 3D マトリックス内の内部 (2D) 境界の圧力を求解します. 計算された圧力は, 周囲のマトリックス内の多孔質媒体の流れを表すフィジックスに自動的に結合されます. これは, 破壊のメッシュ化に関連する時間と計算リソースを節約する近似法です.

結合されたインターフェースセクションが展開された多孔質媒体設定の混相流のクローズアップ図と, グラフィックウィンドウのレンズモデル.

多孔質媒体中の混相流

相輸送の機能をダルシーの法則のインターフェースと組み合わせることで, 任意の数の相を持つ多孔質媒体中の混相流をシミュレーションすることができます. ユーザーは, 相間の相対浸透率や毛細管圧の多孔質媒体の特性を指定できます. これらの特性は, 多孔質媒体中の相輸送インターフェースとダルシー則インターフェースを接続するマルチフィジックスカップリングによって相間で受け渡されます.

多孔質弾性

圧縮と膨潤は, ダルシーの法則の一時的な定式化と多孔質マトリックスの線形弾性材料モデルを組み合わせた, 多孔質弾性専用のフィジックスインターフェースを使用してモデル化できます. 流体の流れは多孔質媒体の圧縮率に影響を与えますが, 体積ひずみの変化は運動量, 材料, および熱輸送に影響を与えます.これらの効果を利用するために, 多孔質弾性マルチフィジックスインターフェースには, 体積ひずみの関数としての応力テンソルの式と, Biot-Willis 係数が含まれています.

また, 層ごとに異なる材料特性を持つ多層ドメイン (板紙, 複合材料など) のモデリングを可能にする多孔質弾性, 積層シェルマルチフィジックスインターフェースも利用できます.

モデルビルダーで輸送特性インターフェースを選択し, グラフィックスウィンドウに多孔質リアクターモデルを表示した状態のクローズアップ図.

多孔質媒体および亀裂における化学種輸送

COMSOL Multiphysics® シミュレーションソフトウェアには, 任意の数の化学種の対流, 拡散, 分散, 吸着, および揮発による希薄溶液または混合物の物質輸送を定義するための直感的な機能が含まれています. これらは, 多孔質媒体流れモジュールを化学反応工学モジュールと組み合わせることにより, 可逆, 不可逆, 平衡反応速度の定義に簡単に容易に結びつけることが出来ます. 多孔質媒体流れモジュールを使用すると, この機能を多孔質媒体や亀裂にまで拡張することができます.

ブリンクマン方程式インターフェースが選択され, グラフィックスウィンドウに虹色の多孔質媒体モデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

多孔質媒体の速い流れ

ブリンクマン方程式は, 多孔質媒体中を高速で移動する流体を説明するもので, 流体の速度, 圧力, および重力による運動ポテンシャルが流れを駆動します. ブリンクマン方程式のインターフェースは, ダルシーの法則を一般化して, ナビエ・ストークス方程式と同様に, 粘性せん断による運動エネルギーの散逸を計算します.

流体およびマトリックスのプロパティ設定と, 充填層潜熱貯蔵タンクを含むグラフィックスウィンドウのクローズアップ図.

非ダルシー流れ

ダルシー則とダルシー則に対するブリンクマンの修正は, 細孔内の間隙速度がほふく流近似が成り立つほど十分に低い場合にのみ適用されます. 間隙性速度の場合, 追加の非線形補正を運動量方程式に含めることができます. ダルシーの法則とブリンクマン方程式のインターフェースには, 浸透率モデルの非ダルシーのオプション, ブリンクマン方程式のインターフェースの Forchheimer モデルと Ergun モデル, および多孔質のダルシー則と混相流の Forchheimer, Ergun, Burke–Plummer, Klinkenberg モデルが含まれます.

モデルビルダーのクローズアップ図, オレンジと黄色の長方形モデルの上部, および性能指数チャートの左上部分.

多孔質媒体における熱伝達

多孔質媒体内の熱伝達は, 伝導, 対流, 分散によって発生します. 分散は, 多孔質媒体内の液体の曲がりくねった経路によって引き起こされます. これは, 平均対流項のみを考慮した場合には説明されません. 多くの場合, 固相は導電率の異なる複数の材料で構成されており, さまざまな流体が存在することもあります. 多孔質媒体インターフェースの熱伝達では, これらの要素を自動的に考慮し, 有効な熱伝達特性を計算するための混合ルールを提供しています.

局所的な熱非平衡をモデル化するために, 流体と多孔質マトリックスの温度場の別々の方程式を結合する組み込みテクノロジーを使用して, 細孔内の流体-固体界面での熱伝達を説明できます.

結合されたインターフェースセクションが展開された熱と湿気の設定のクローズアップ図, およびグラフィックウィンドウの木製フレームモデル.

熱と水分の輸送

紙, 木, その他の多孔質材料における熱と水分の管理は, 建築部材や消費者向けパッケージの設計に不可欠です. 熱と水分の流れのマルチフィジックスインターフェースは, 流体の特性が蒸気濃度に依存する可能性のある熱伝導と水分輸送のシミュレーションに使用されます.

さらに, 表面上の水分の凝縮と蒸発を解析するツールや, 熱と水分の貯蔵, 潜熱効果, 水分の拡散と輸送を解析する特殊な機能もあります.

クリーピングフローノードが強調表示され, 2つのクリーピングフローモデルと多孔質媒体フローモデルの一部が表示されたモデルビルダーのクローズアップ図.

層流とほふく流

多孔質媒体流れモジュールでは, 多孔質体だけでなく, 自由媒質中の流れもシミュレートすることができ, 柔軟性に富んでいます. 層流およびほふく流れインターフェースでは, 比較的低いレイノルズ数での過渡的な流れや定常的な流れのモデリングが可能です. 流体の粘性は, 局所的な組成や温度に依存する場合があり, また, 流体の流れと組み合わせてモデル化されるその他の分野にも依存します.

対応するセクションが展開され, グラフィックウィンドウに1D プロットが表示された, 流体およびマトリックスのプロパティ設定のクローズアップ図.

高度な自由流れオプション

多孔質媒体流れモジュールを CFD モジュール またはポリマー流れモジュールと組み合わせる場合, べき乗則, カロー, ビンガムなどの非ニュートン流体を含めることができます. 一般に, 密度, 粘度, および運動量のソースは, 温度, 組成, せん断速度, その他の従属変数, および従属変数の導関数の任意の関数にすることができます.

さらに, CFD モジュールを使用すると, 多孔質媒体内の高速流と自由乱流を組み合わせることができます.

どのビジネスもシミュレーションニーズもそれぞれ違います. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアがお客様のご要望を満たすかどうかをきちんと評価するために, 我々にご連絡ください. 我々のセールス担当と話をすれば各個人に向いたお勧めや, しっかり文書化されたモデルなどをお送りすることができ, 最大限の評価結果を引き出すことができます. 最終的にどのライセンスオプションがあなたの要望にとって最適かを選択することができます.

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