Porous Media Flow Module

Modellare il trasporto di massa, momento ed energia nei mezzi porosi

Analizza strutture complesse di mezzi porosi presenti in molti sistemi naturali e artificiali con il Porous Media Flow Module, un prodotto aggiuntivo del software COMSOL Multiphysics®. Il Porous Media Flow Module include funzionalità per la modellazione di flussi monofase in mezzi porosi basati sulla legge di Darcy, sulle equazioni di Brinkman e sulle equazioni di Richards, così come il flusso in frattura e una combinazione di flusso libero e in mezzi porosi.

Per i modelli più realistici e accurati, le capacita multifisiche includono flussi non isotermi in mezzi porosi, proprietà efficaci per sistemi multicomponente, poroelasticità e trasporto di umidità e specie chimiche.

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Un modello di serbatoio in colore grigio con flusso di mezzi porosi mostrato in gradiente di colore verde acqua, viola e blu e linee di flusso bianche.

Ottimizza una varietà di processi industriali

La necessità di una modellazione avanzata dei mezzi porosi riguarda molti settori e molte applicazioni, comprese le industrie farmaceutiche e alimentari, per esempio. Il Porous Media Flow Module aiuta gli ingegneri e gli scienziati del settore agricolo, chimico, civile e nucleare ad analizzare i flussi in mezzi porosi e ottimizzare i loro progetti e processi.

La simulazione può essere usata per catturare gli effetti dei mezzi porosi sui processi di trasporto quando si modellano i nanomateriali, i reattori porosi, il raffreddamento dei componenti elettronici e le applicazioni geotecniche su larga scala. COMSOL Multiphysics® fornisce una serie completa di strumenti di modellazione confezionati in interfacce fisiche, che impostano e risolvono automaticamente le equazioni specifiche per il tipo di flusso del mezzo poroso da modellare.

Caratteristiche e funzionalità del Porous Media Flow Module

Il Porous Media Flow Module offre caratteristiche specializzate e funzionalità su misura per tenere conto di vari processi nei mezzi porosi.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con l'interfaccia Layered Darcy's Law evidenziata e il grafico della pressione risultante per un modello a strato sottile e poroso.

Flussi lenti in mezzi porosi

La legge di Darcy descrive il movimento del fluido attraverso gli interstizi in un mezzo poroso completamente saturo, 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. L'interfaccia Layered Darcy's Law si può usare per simulare il flusso del fluido attraverso interstizi in mezzi porosi stratificati, come cartone, compositi o compensato.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Richards' Equation Model  evidenziato e i test di rilevamento rapido nella finestra Graphics.

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 nelle 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 dei fluidi incorporati tra cui scegliere, come i modelli van Genuchten o Brooks–Corey. Come avviene nel caso dll'interfaccia Darcy's Law, viene calcolata 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.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Fluid and Fracture Properties selezionato e un modello di filtro d'acqua in ceramica nella finestra Graphics.

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 la pressione sulle superfici interne (2D) all'interno di una matrice 3D, sulla base di 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.

Visualizzazione in primo piano delle impostazioni Multiphase Flow in Porous Media con la sezione Coupled Interfaces espansa e un modello di lente nella finestra Graphics.

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 mezzi 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.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Poroelasticity evidenziato e un modello di pozzo multilaterale in gradazione arcobaleno nella finestra Graphics.

Poroelasticità

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

È disponibile anche un'interfaccia multifisica Poroelasticity, Layered Shell che consente la modellazione di domini multistrato (cartoncini, compositi, ecc.) dotati di proprietà materiali diverse per ogni strato.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con l'interfaccia Transport Properties selezionata e un modello di reattore poroso nella finestra Graphics.

Trasporto di specie chimiche in mezzi porosi e fratture

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

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con l'interfaccia Brinkman Equation selezionata e un modello di un mezzo poroso in gradazione arcobaleno nella finestra Graphics.

Flussi veloci in mezzi porosi

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

Visualizzazione in primo piano delle impostazioni Fluid and Matrix Properties e la finestra Graphics contenente un serbatoio di accumulo di calore latente a letto impaccato.

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 da mantenere valida l'approssimazione del flusso creeping. Per velocità interstiziali più alte, 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.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder, parte superiore di un modello rettangolare in arancione e giallo, e porzione in alto a sinistra di un grafico della figura del merito.

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; sono previste regole di miscelazione per il calcolo delle proprietà effettive di trasferimento termico.

Per modellare il non-equilibrio termico locale, è possibile utilizzare la tecnologia integrata che accoppia equazioni separate per i campi di temperatura del fluido e della matrice porosa, per tenere conto del trasferimento di calore all'interfaccia fluido-solido nei pori.

Visualizzazione in primo piano delle impostazioni di calore e umidità con la sezione Coupled Interfaces espansa e un modello di telaio in legno nella finestra Graphics.

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 di componenti edilizi e di imballaggi per i consumatori. L'interfaccia multifisica Heat and Moisture Flow viene utilizzata per simulare il trasferimento di calore e il trasporto di umidità, dove le proprietà dei fluidi possono dipendere dalla concentrazione di vapore.

Inoltre, sono disponibili strumenti per analizzare la condensazione e l'evaporazione dell'acqua sulle superfici, così come funzioni specifiche per analizzare l'accumulo di calore e umidità, gli effetti del calore latente, la diffusione e il trasporto dell'umidità.

Visualizzazione in primo piano del Model Builder con il nodo Creeping Flow evidenziato e parti di due modelli di flusso creeping e flusso di mezzi porosi.

Flusso laminare e creeping

Per offrire la massima flessibilità, il Porous Media Flow Module include la capacità di simulare il flusso sia in supporti liberi che in mezzi porosi. La modellazione di flussi transitori e stazionari a numeri di Reynolds relativamente bassi è possibile grazie alle interfacce Laminar Flow e Creeping Flow. La viscosità di un fluido può dipendere dalla composizione e dalla temperatura locali o da qualsiasi altro campo modellato in combinazione con il flusso del fluido.

Visualizzazione in primo piano delle impostazioni Fluid and Matrix Properties con la sezione corrispondente espansa e un grafico 1D nella finestra Graphics.

Opzioni avanzate per flusso libero

Quando si combina il Porous Media Flow Module con il CFD Module o con il Polymer Flow 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 di qualsiasi altra variabile dipendente, così come delle derivate delle variabili dipendenti.

Inoltre, con il CFD Module, è possibile combinare il flusso veloce in mezzi porosi con il flusso turbolento libero.

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.

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