Gamma di prodotti COMSOL®

A packed-bed latent heat storage tank model with the flow visualized as streamlines.

Simula il trasporto di massa, momento ed energia in mezzi porosi con il Porous Media Flow Module

Ottimizza un'ampia varietà di processi industriali

Analizza e ottimizza i processi tipici dell'industria farmaceutica, biomedica, alimentare e non solo con il Porous Media Flow Module, un componente aggiuntivo del software COMSOL Multiphysics®. Modella i fenomeni di trasporto in mezzi porosi usando la legge di Darcy, compreso il flusso di mezzi porosi variabilmente saturi. Modelli più avanzati includono il flusso veloce con le equazioni di Brinkman, il trasporto multifase, il flusso in frattura o il flusso non darciano. Per i modelli più realistici e accurati, le capacità multifisiche includono flussi non isotermi in mezzi porosi, proprietà efficaci per sistemi multicomponente, poroelasticità e trasporto di umidità e specie chimiche.

Che cosa puoi simulare con il Porous Media Flow Module

Ingegneri e ricercatori in ambito agricolo, chimico, civile e nucleare hanno bisogno di simulare diversi tipi di processi nei mezzi porosi. Ecco perché il Porous Media Flow Module fornisce una serie completa di strumenti di modellazione in questo settore. Questi strumenti sono confezionati in interfacce fisiche, che impostano e risolvono automaticamente le equazioni specifiche per il tipo di fisica che si sta modellando.

Flussi lenti in mezzi porosi

La legge di Darcy descrive il movimento del fluido attraverso gli interstizi in un mezzo poroso completamente saturo che è guidato principalmente da un gradiente di pressione, e il trasporto della quantità di moto dovuto alle sollecitazioni di taglio nel fluido è trascurabile. L'interfaccia Darcy's Law calcola la pressione e il campo di velocità è quindi determinato dal gradiente di pressione, dalla viscosità del fluido e dalla permeabilità.

Un blocco di ghiaccio bianco è modellato all'interno di un mezzo poroso e il processo di fusione è visualizzato come linee di scorrimento con frecce e isosuperfici in una tavola di colori con gradiente pesca-bianco. Processo di fusione del ghiaccio in un mezzo poroso

Flussi veloci in mezzi porosi

Le equazioni di Brinkman rappresentano i fluidi in rapida movimentazione nei fluidi porosi con il potenziale cinetico della velocità del fluido, della pressione e della gravità che guida il flusso. L'interfaccia Brinkman Equazioni generalizza la legge di Darcy per calcolare la dissipazione dell'energia cinetica per taglio viscoso, simile alle equazioni di Navier-Stokes.

Flusso in mezzi porosi a saturazione variabile

L'equazione di Richards descrive il movimento dell'acqua in mezzi porosi parzialmente saturi, tenendo conto delle variazioni delle proprietà idrauliche quando i fluidi si muovono attraverso il mezzo poroso, riempiendo alcuni pori e drenando altri. L'interfaccia Richards' Equation include modelli di ritenzione idrica incorporati tra cui scegliere, come i modelli van Genuchten o Brooks-Corey. Simile all'interfaccia Darcy's Law, calcola solo la pressione. L'equazione di Richards non è lineare a causa del fatto che le proprietà idrauliche variano in base alla saturazione, il che può renderla difficile da risolvere senza software di calcolo.

Flusso in frattura

Le fratture all'interno di un mezzo poroso influenzano le proprietà di flusso attraverso la matrice porosa. L'interfaccia Fracture Flow risolve il problema della pressione sulle superfici interne (2D) all'interno di una matrice 3D, basata su un'apertura definita dall'utente. La pressione calcolata viene automaticamente accoppiata alla fisica che descrive il flusso in mezzi porosi nella matrice circostante, un'approssimazione che consente di risparmiare tempo e risorse computazionali coinvolte nel meshing delle fratture.

Due modelli affiancati di un filtro per l'acqua in ceramica, dove uno è intatto e l'altro ha una frattura mostrata in magenta. Filtri per acqua in ceramica

Trasporto di calore e umidità

La gestione del calore e dell'umidità nella carta, nel legno e in altri materiali porosi è vitale per la progettazione dei componenti edilizi e degli imballaggi per i consumatori. L'interfaccia multifisica Laminar Heat and Moisture Flow viene utilizzata per simulare il trasferimento di calore e il trasporto dell'umidità, dove le proprietà dei fluidi possono dipendere dalla concentrazione di vapore.

Inoltre, ci sono strumenti per analizzare la condensazione e l'evaporazione dell'acqua sulle superfici, così come caratteristiche specifiche per analizzare lo stoccaggio di calore e umidità, gli effetti di calore latente, così come la diffusione e il trasporto dell'umidità.

Trasferimento di calore in mezzi porosi

Il trasferimento di calore in mezzi porosi avviene per conduzione, convezione e dispersione. La dispersione è causata dal percorso tortuoso del liquido nel mezzo poroso, che non sarebbe descritto se si tenesse conto solo del termine convettivo medio. In molti casi, la fase solida può essere costituita da più materiali con diversa conducibilità e possono esserci anche diversi fluidi. L'interfaccia Heat Transfer in Porous Media tiene conto automaticamente di questi fattori e sono previste regole di miscelazione per il calcolo delle proprietà effettive di trasferimento termico.

Per modellare l'equilibrio termico locale, è possibile utilizzare un'interfaccia multifisica integrata (con lo stesso nome), che implementa equazioni separate per i campi di temperatura della matrice fluida e porosa con un accoppiamento per tenere conto del trasferimento di calore all'interfaccia fluido-solido nei pori.

Modello in grigio di un accumulatore di calore latente a letto impaccato riempito con paraffina dove la fase solida è mostrata in blu e la fase liquida è mostrata in giallo. Flusso attraverso un accumulatore di calore latente a letto impaccato
Interfaccia utente di COMSOL Multiphysics che mostra il Model Builder, le impostazioni delle caratteristiche sulla superficie e un modello di dissipatore di calore a microcanali poroso nella finestra Graphics. Modello di dissipatore di calore a microcanali poroso mostrato nell'interfaccia utente di COMSOL Multiphysics

Flusso multifase in mezzi porosi

La funzionalità per il trasporto di fase può essere combinata con l'interfaccia Darcy's Law per simulare il flusso multifase in mezzi porosi con un numero arbitrario di fasi. Gli utenti possono specificare le proprietà dei fluidi porosi, come le permeabilità relative e le pressioni capillari tra le fasi. Queste proprietà vengono passate tra le fasi con un accoppiamento multifisico che collega l'interfaccia Phase Transport in Porous Media all'interfaccia Darcy's Law interface.

L'interfaccia utente di COMSOL Multiphysics con il Model Builder, la finestra di impostazioni per un grafico 2D, e il modello di una carta assorbente nella finestra Graphics. Modello di carta assorbente mostrato nell'interfaccia utente di COMSOL Multiphysics

Flusso non darciano

La legge di Darcy e la correzione di Brinkman alla legge di Darcy si applicano solo quando la velocità interstiziale nei pori è abbastanza bassa che l'approssimazione del flusso creeping tiene. Per velocità interstiziali più elevate, un'ulteriore correzione non lineare può essere inclusa nell'equazione del momento. Le interfacce Darcy's Law e Brinkman Equations includono opzioni non darciane per il modello di permeabilità, i modelli Forchheimer ed Ergun per l'interfaccia Brinkman Equations, e i modelli Forchheimer, Ergun, Burke-Plummer e Klinkenberg per le interfacce Darcy's Law e Multiphase Flow in Porous Media.

Poroelasticità

La compattazione e il rigonfiamento possono essere modellati con un'interfaccia fisica dedicata alla porosità, che combina una formulazione transitoria della legge di Darcy con un modello di materiale elastico lineare della matrice porosa. Il flusso del fluido influisce sulla comprimibilità del mezzo poroso, mentre le variazioni delle deformazioni volumetriche influiscono a loro volta sulla quantità di moto, sul materiale e sul trasporto del calore. Per utilizzare questi effetti, l'interfaccia multifisica Poroelasticity include un'espressione del tensore di sollecitazione, in funzione della deformazione volumetrica, e del coefficiente Biot-Willis.

Flusso laminare e creeping

Per la massima flessibilità, il Porous Media Flow Module include la capacità di simulare il flusso sia nei supporti liberi che in quelli porosi. Con le interfacce Laminar Flow e Creeping Flow è possibile modellare flussi transitori e costanti a numeri di Reynolds relativamente bassi. La viscosità di un fluido può dipendere dalla composizione e dalla temperatura locale, o da qualsiasi altro campo modellato in combinazione con il flusso del fluido.

Se combinato con il CFD Module, è possibile includere fluidi non newtoniani, come Power Law, Carreau e Bingham. In generale, le sorgenti di densità, viscosità e quantità di moto possono essere funzioni arbitrarie di temperatura, composizione, velocità di taglio e qualsiasi altra variabile dipendente, nonché derivati di variabili dipendenti.

L'interfaccia utente di COMSOL Multiphysics mostra il Model Builder, le impostazioni dell'interfaccia Creeping Flow e i modelli di celle a struttura porosa e di reattori a letto di pellet nella finestra Graphics. Modelli di reattore a celle unitarie e reattore a letto di pellet

Trasporto di specie chimiche in mezzi porosi e fratture

Il software di simulazione COMSOL Multiphysics® contiene funzionalità intuitive per definire il trasporto di materiali in soluzioni o miscele diluite tramite convezione, diffusione, adsorbimento e volatilizzazione di un numero arbitrario di specie chimiche. Queste sono facilmente collegabili alle definizioni di cinetica di reazione reversibile, irreversibile e di equilibrio. Con il Porous Media Flow Module, è possibile estendere questa funzionalità ai mezzi porosi e alle fratture.

Ogni esigenza di business e di simulazione è diversa. Per valutare se il software COMSOL Multiphysics® soddisfa o meno le vostre esigenze, non dovete fare altro che contattarci. Parlando con uno dei nostri tecnici commerciali, riceverete consigli personalizzati ed esempi completamente documentati per aiutarvi a ottenere il massimo dalla vostra valutazione e guidarvi a scegliere l'opzione di licenza migliore per soddisfare le vostre esigenze.

Basta cliccare sul pulsante "Contatta COMSOL", inserire i propri contatti ed eventuali commenti o domande specifiche, e inviare la richiesta. Riceverete una risposta entro un giorno lavorativo.

Il prossimo passo?
Richiedi una Dimostrazione
del Software