COMSOL Porous Media Flow Module 6.1
DESCRIPCIÓN
Este módulo introduce la posibilidad de modelar transporte de masa, momento y energía en medios porosos.
Los medios porosos existen en muchos sistemas tanto naturales como artificiales, y la necesidad del modelado avanzado de medios porosos abarca muchas industrias. Los ejemplos incluyen procesos en células de combustible, secada de pulpa y papel, producción alimentaria, procesos de filtración, y otros. El módulo Porous Media Flow Module extiende el entorno de modelado de COMSOL Multiphysics® a la investigación cuantitativa de transporte de masa, momento y energía en medios porosos. Sus áreas de aplicación van de flujo en medios porosos convencional basado en la ley de Darcy, a flujo no Darciano y análisis de flujo multifísico, incluyendo los efectos de transferencia de calor, ingeniería química y más.
Concentración de contaminante en velas de filtros de agua cerámicos (izquierda: sin daños, derecha: roto)
CARACTERÍSTICAS
Funcionalidad del módulo Porous Media Flow
Modelos de flujo
El módulo Porous Media Flow Module incluye funcionalidad para modelar flujo de una fase en medios porosos basados en la ley de Darcy, las ecuaciones de Brinkman y combinaciones de flujo libre y en medios porosos. Las fracturas en medios porosos puede dominar el flujo y una interfaz especializada para flujo de fractura pueden ser combinada con cualquiera de los modelos de flujo en medios porosos. Se dispone tanto de los tipos de análisis estacionario y dependiente del tiempo.
Flujo multifase
Las capacidades de flujo multifase incluyen transporte de múltiples fases inmiscibles a través de un medio poroso, que resuelven las fracciones de volumen de fase promediadas. Para medios porosos variablemente saturado, una opción de flujo no lineal, basado en la ecuación de Richards, puede ser utilizado para analizar medios donde las propiedades hidráulicas cambien a medida que el fluido se mueve a través del medio poroso, llenando algunos poros y drenando otros.
Multifísica
Las capacidades multifísicas incluyen las combinaciones con transferencia de calor, ingeniería química y análisis estructural. Cuando se combina con transferencia de calor existen opciones para calcular flujo no isotérmicos en medios porosos así como propiedades térmicas efectivas. La transferencia de calor en medios porosos puede ser combinada con transporte de humedad para aplicaciones dentro de la electrónica de consumo, materiales de empaquetado, y física de la construcción.
El módulo también trata el tranporte de especies químicas en flujo libre, y medios porosos saturados y parcialmente saturados. Puede utilizarse para estudiar el flujo y la composición química de un gas o líquido que se mueve a través de los intersticios de un medio poroso. Además de regiones de medios porosos, el sistema de flujo puede también incluir regiones con flujo libre.
Para efectos elásticos en un material poroso, una interfaz multifísica especializada para poroelasticidad combina una formulación transitoria de la ley de Darcy con una formulación cuasiestática de mecánica de sólidos. La presión de poro de la interfaz Ley de Darcy actúa como una carga para el análisis estructural, causando, de este modo, hinchazón o contracción. Los cambios en la deformación volumétrica afectan al espacio del poro, que actúa como una fuente o sumidero de masa para el modelo de flujo de ley de Darcy.
Las unidades de almacenamiento de energía térmica (TES) son utilizadas para acumular energía térmica de fuentes de calor solar, geotérmico o calor residual. Este ejemplo modela los efectos de transferencia de calor con cambio de fase y no equilibrio térmico local mientras se carga la unidad TES.
Mejoras generales en la interfaz de Transporte de Humedad
Está disponible una nueva formulación de especies concentradas en la interfaz Moisture Transport in Air para modelar convección y difusión de vapor en el aire cuando el contenido de vapor es alto. Este es el caso a menudo cuando existe humedad relativa moderada o alta a alta temperatura. Bajo estas condiciones, la densidad de aire húmedo puede variar significativamente en espacio y tiempo debido a gradientes de concentración de vapor, y la formulación por defecto debería ser reemplazada por la nueva formulación Concentrated species.
La interfaz física también se ha mejorado para soportar condiciones de supersaturación que correspondan a una humedad relativa mayor que uno. Esto ocurre cuando un corriente caliente saturada con vapor de agua se enfría rápidamente. Finalmente, los ajustes del resolvedor por defecto para las diferentes interfaces de transporte de humedad, calor y humedad, y flujo húmedo, se han establecido de forma que proporcionen unos cálculos más robustos y rápidos.
Ahora se puede seleccionar Especies concentradas como el tipo de mezcla para el aire húmedo en las interfaces de Transporte de Humedad.
SECTORES
Sus áreas de aplicación van de flujo en medios porosos convencional basado en la ley de Darcy, a flujo no Darciano y análisis de flujo multifísico, incluyendo los efectos de transferencia de calor, ingeniería química y más.
VERSIONES
6.1
NOVEDADES
La versión 6.1 proporciona una nueva interfaz física para flujo multifásico en medios porosos, la capacidad de definir expresiones para transiciones de fase, y capacidades mejoradas para el modelado de flujo en fracturas. El uso de la interfaz de flujo multifásico y la funcionalidad de transición de fase se muestran en dos nuevos modelos tutoriales.
Nuevos conjunto de niveles en la interfaz de Medio Poroso
La nueva interfaz Level Set in Porous Media incluye una funcionalidad Porous Media que puede vincularse a la definición de la porosidad dada en el nodo Porous Material. Esta funcionalidad también está disponible en la interfaz Level Set y en las interfaces multifísicas Brinkman Equation, Twho-Phase Flow, Level Set. Pueden verse estas funcionalidades en el nuevo modelo "Resin Transfer Molding of a Wind Turbin Blade".
La nueva función Porous Medium para la interfaz Level Set in Porous Media.
Transición de fase definida por el usuario
En la interfaz Heat Transfer in Porous Media el subnodo Phase Change Material ahora incluye una opción para introducir funciones de transición de fase definidas por el usuario. Esta opción permite utilizar descripciones de cambio de fase precisas desde datos medidos. Puede verse esta funcionalidad en el nuevo modelo tutorial "Phase Change in a Semi-Infinite Soil Column - Lunardini Solution" y el existenet "Frozen Inclusion".
Ajustes para la función Phase Change para usar una función de transición de fase definida por el usuario para modelar la fundición de una inclusión congelada.
Manipulación mejorada de fracturas
En las interfaces Darcy's Law y Fracture Flow, ahora las fracturas se definen utilizando propiedades específicas de fase con el nodo Fracture. Esta función contiene un subnodo Fluid que describe fluidos, como gas, líquido o gas ideal, y un subnodo Fracture Material que tiene en cuenta las propiedades de fractura, como la porosidad o transmisividad. Bajo los ajustes de Fracture, se puede describir el flujo como Darcian (lento) o no Darcian (rápido), y se dispone de un nuevo modelo Linearized storage. En la interfaz Darcy's Law, se puede seleccionar si las fracturas son altamente conductivas, como en canales abiertos, o si pueden representarse por barreras estrechas.
El nodo Fracture también se ha añadido a las interfaces Transport of Diluted Species in Fractures y Transport of Diluted Species in Porous Media y es consistente con otros nodos de fractura para tranporte en medios porosos. Puede verse estas mejoras en el modelo tutorial existente "Ceramic Water Filter with Activated Carbon Core".
La nueva función diseñada Fracture en las interfaces Darcy’s Law y Transport of Diluted Species in Porous Media. La ventana de ajustes muestra las nueva opciones para la funcionalidad en la interfaz Darcy's Law.
Acoplamiento multifísico barrera delgada
La interfaz Multiphase Flow in Porous Media contiene un nuevo acoplamiento multifísico Thin Barrier. Esta funcionalidad es opcional y posibilita añadir una capa delgada que actúa como resistencia para campos de flujo de todas las fases, sin tener que mallar el grosor de la capa.
The new Thin Barrier multiphysics coupling for multiphase flow in porous media.
Nuevos gráficos predefinidos
Ahora es posible añadir gráficos predefinidos por las interfaces físicas después de que se calcule un estudio. La nueva ventana Add Predefined Plots, que puede abrirse desde la barra de herramientas en la sección Results, permite seleccionar desde una serie de gráficos predefinidos. Los gráficos disponibles se organizan en una estructura de árbol donde se puede seleccionar el gráfico que se desea añadir utilizando el botón Add Plot.
Nuevos gráficos predefinidos para presión y velocidad en el modelo Ceramic Water Filter.
Datos climáticos: ASHRAE 2021
Pueden definirse propiedades ambientales, como temperatura, humedad, precipitación y radiación solar, desde un nodo Ambient properties bajo Definitions > Shared Properties. Junto con la posibilidad de añadir datos metereológicos definidos por el usuario, las variables ambientales pueden calcularse desde medidas promediadas mensual y horariamente desde valores en manuales proporcionados por la American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). Los datos meteorológicos del manual ASHRAE han sido integrados en COMSOL Multiphysics® y contiene datos ambientales desde más de 8500 estaciones meteorológicas de todo el mundo. Puede verse esta adición en el modelo tutorial existente "Condensation Risk in a Wood-Frame Wall".
Datos ambientales de ASHRAE 2021 utilizados para definir los flujos de calor y humedad en los contornos externos en el modelo Condensation Risk in a Wood-Frame Wall.
Funcionalidades adicionales para transporte de humedad en medios porosos higroscópicos
Para simplificar las definiciones de modelos, el acoplamiento multifísico Moisture Flow ha sido actualizado de forma que la variable de tasa de evaporación calculada por la interfaz Moisture Transport se tiene en cuenta para en balance de masa calculado por la interfaz Brinkman Equations. Además, las condiciones de contorno Open Boundary y Inflow ahora pueden aplicarse a contornos exteriores adyacentes a dominios donde el Hygroscopic Porous Medium está activo.
Nuevos modelos tutoriales
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Phase Change in a Semi-Infinite Soil Column - Lunardini Solution |
Resin Transfer Molding of a Wind Turbine Blade |
6
NOVEDADES
La versión 6.0 trae una nueva interfaz multifísica para el modelado de deformaciones estructurales finitas en cuerpos porosos, una nueva interfaz de lechos empacados para modelar la transferencia de calor multiescala en lechos de pellets, y mejora de la manipulación de materiales porosos
Poroelasticidad de gran deformación
La nueva interfaz multifísica Poroelasticity, Large Deformation, Solid permite modelar deformaciones estructurales finitas en cuerpos porosos. Esto es lo mismo que la interfaz multifísica Poroelasticity, Solid disponible desde versiones anteriores, pero con un nodo adicional Elastic Predeformation que permite seguir grandes deformaciones y rotaciones. Puede encontrarse esta interfaz bajo la rama Poroelasticity en la carpeta Structural Mechanics en el árbol Añadir física. Esta nueva interfaz requiere el módulo Structural Mechanics Module.
Flujo de dos fases en medios porosos
Una nueva interfaz multifísica combina las interfaces Brinkman Equations y Level Set, y añade automáticamente un nodo de acoplamiento Two-Phase Flow, Level Set. Resuelve la conservación de la masa y el momento con las ecuaciones de Brinkman. La interfaz entre dos fluidos inmiscibles en medios porosos se rastrea con la función de ajuste de nivel.
Inyección de resina en un molde vacío. La nueva interfaz se utiliza para realizar el seguimiendo del frente de inyección. El molde contiene una entrada y tres salidas, y un bloque poroso en el centro, e inicialmente está rellenado con aire.
Flujo no isotérmico en medios porosos
La nueva interfaz multifísica de Flujo no isotérmico, Ecuaciones de Brinkman añade automáticamente el acoplamiento entre la transferencia de calor y el flujo de fluido en medios porosos. Combina las interfaces Transferencia de calor en medios porosos y Ecuaciones de Brinkman. Puede verse esta nueva característica en el modelo tutorial Free Convection in a Porous Medium.
El ejemplo tutorial Free Convection in a Porous Medium hace uso de la nueva funcionalidad de flujo no isotérmico. Temperatura (K) en una estructura porosa sometida a gradientes de temperatura y posterior convección libre.
Deslizamiento poroso para la interfaz de ecuaciones de Brinkman
La capa límite en el flujo en medios porosos puede ser muy delgada y poco práctica de resolver en un modelo de ecuaciones de Brinkman. La nueva función de tratamiento de paredes deslizantes porosas le permite tener en cuenta las paredes sin resolver el perfil de flujo completo en la capa límite. En su lugar, se aplica una condición de tensión en las superficies, lo que produce una precisión decente en el flujo a granel al utilizar una solución asintótica del perfil de velocidad de la capa límite. La funcionalidad se activa en la ventana Configuración de la interfaz de ecuaciones de Brinkman y luego se usa para la condición de pared predeterminada. Puede usar esta nueva característica en la mayoría de los problemas que involucran flujo subterráneo descritos por las ecuaciones de Brinkman y donde el dominio del modelo es grande.
El campo de flujo y concentración de un modelo de reactor poroso.
Gestión muy mejorada de materiales porosos
Los materiales porosos ahora se definen en la tabla Propiedades específicas de fase en el nodo Material poroso. Además, se pueden añadir subnodos para las funcionalidades sólidas y fluídicas donde se pueden definir varios subnodos para cada fase. Esto permite el uso de un mismo material poroso para el flujo de fluidos, el transporte de especies químicas y la transferencia de calor sin tener que duplicar las propiedades y configuraciones del material.
El nuevo nodo Materiales para material poroso ejemplificado en un modelo multiescala de un lecho empacado.
Transferencia de calor multiescala en lechos de pellets
Se ha añadido una nueva interfaz de transferencia de calor en lechos empacados para modelar la transferencia de calor en lechos de pellets. El lecho de gránulos se representa como un medio poroso formado por fluido y gránulos. Los gránulos se modelan como partículas esféricas porosas homogeneizadas en las que la temperatura varía radialmente. La distribución de temperatura en los gránulos se calcula para cada posición en el lecho empacado. Está acoplado a la temperatura del fluido circundante a través de un flujo de calor intersticial entre las superficies de los gránulos y el fluido.
La nueva funcionalidad es útil para modelar el calor en sistemas de almacenamiento de energía térmica de lecho empacado o la reacción química en un lecho empacado cuando se combina con la función correspondiente para el transporte de especies químicas. Esta nueva función se presenta en el nuevo modelo tutorial Packed Bed Thermal Energy Storage System.
Distribución de temperatura dentro de un gránulo sólido localizado en medio de la geometría.
Temperatura de fluido y gránulos en el dominio completo.
Velocidad en las paredes para evaporación y condensación de humedad
Las reacciones superficiales, como la evaporación o la condensación, dan como resultado un flujo de vapor neto entre la superficie y el dominio circundante. Este tipo de reacción corresponde a una velocidad efectiva del aire húmedo en el contorno del dominio, denominada velocidad de Stefan. Siempre que se esperen grandes tasas de evaporación, se debe tener en cuenta el flujo de Stefan, ya que puede ser importante en el comportamiento general del sistema. En el acoplamiento multifísico de Flujo de humedad, ahora está disponible una casilla de verificación Account for Stefan velocity at walls cuando se utiliza la formulación Concentrated Species en la interfaz de Transporte de humedad. Esto se recomienda en aplicaciones de evaporación y condensación cuando la temperatura es alta, normalmente por encima de 50 °C. Puede verse esta funcionalidad en el nuevo modelo tutorial Modeling of Stefan Flow Due to Evaporation from a Water Surface.
Isosuperficies de humedad relativa y líneas de flujo de velocidad debidas al flujo de Stefan sobre la superficie de evaporación, cuando la temperatura ambiente es de 90°C.
Mejoras en el transporte de humedad
Las interfaces de transporte de humedad ahora brindan una función de condición periódica que permite reducir el dominio de simulación para una estructura periódica o evaluar las propiedades efectivas de una celda representativa. Además, la funcionalidad Medios porosos higroscópicos se ha actualizado para que coincida con el diseño clásico de funcionalidades para materiales porosos. Las variables para el balance de energía se han optimizado para una evaluación mucho más rápida y ahora hay nuevas variables disponibles para verificar el balance de masa. Pueden verse las mejoras en el transporte de humedad en el nuevo modelo tutorial Drying of a Potato Sample y otros modelos existentes.
Humedad relativa en una muestra de patata expuesta a flujo de aire seco.
Transferencia de calor en medios porosos
La transferencia de calor en la funcionalidad de medios porosos se ha renovado para que sea más fácil de utilizar. Una nueva área física de Medios porosos ahora está disponible bajo la rama de Transferencia de Calor e incluye las interfaces de Transferencia de calor en medios porosos, Desequilibrio térmico local y Transferencia de calor en lecho empacado. Todas estas interfaces son similares en su función, con la diferencia de que el nodo de Medio Poroso por defecto dentro de todas estas interfaces tiene una de las tres opciones seleccionadas: Equilibrio local térmico, No equilibrio local térmico, o de Lecho empacado. La última opción se ha descrito anteriormente y la interfaz de Desequilibrio térmico local ha sustituido al acoplamiento multifísico y corresponde a un modelo de dos temperaturas, una para la fase fluidica y otra para la fase sólida. Las aplicaciones típicas pueden implicar un calentamiento o enfriamiento rápido de un medio poroso debido a una fuerte convección en la fase líquida y una alta conducción en la fase sólida como en las espumas metálicas. Cuando se selecciona la interfaz de Equilibrio térmico local, se encuentran disponibles nuevas opciones de promediado para definir la conductividad térmica efectiva según la configuración del medio poroso.
Además, las variables de posprocesado están disponibles de forma unificada para cantidades homogeneizadas para los tres tipos de medios porosos.
5.6
NOVEDADES
Interfaz de Poroelasticidad, cáscara de capas
La nueva interfaz multifísica Poroelasticidad, Cáscara de capas permite el modelado de dominios multicapa (cartones, compuestos, etc.) que tienen diferentes propiedades de material por capa. La interfaz añade la interfaz Cáscara de capas y las nueva interfaz Ley de Darcy en capas, junto con un nuevo nodo multifísico Poroelasticidad en capas.
La nueva interfaz Ley de Darcy en capas, que se utiliza en la interfaz multifísica anterior, simula el flujo de fluido a través de intersticios en medios porosos en capas, como cartones, compuestos o madera contrachapada. Puede modelar flujos de baja velocidad y flujo de medios porosos donde la permeabilidad y la porosidad son muy pequeñas y para los que el gradiente de presión es la principal fuerza impulsora.
Distribución de la presión en una fina capa porosa, modelada con la interfaz Ley de Darcy en capas.
Nueva función de medio poroso
Se dispone de una nueva funcionalidad para manejar un medio poroso y definir las diferentes fases: sólidos, fluidos y fluidos inmóviles. En la interfaz Transferencia de calor en medios porosos, la función Medio poroso se utiliza para gestionar la estructura del material con una subfunción dedicada para cada fase: Fluido, Matriz porosa y, opcionalmente, Fluidos inmóviles. Este nuevo flujo de trabajo proporciona mayor claridad y mejora la experiencia del usuario. También facilita los acoplamientos multifísicos en medios porosos de una forma más natural. Combinado con las interfaces de Transporte de humedad y Flujo en medios porosos, las mejoras en la transferencia de calor en medios porosos permiten modelar el flujo no isotérmico y el almacenamiento de calor latente en medios porosos.
Transporte de calor y humedad en medios porosos
Hay nuevas interfaces y características para modelar el transporte de calor y de humedad acoplados en medios porosos llenos de aire húmedo y agua líquida. La nueva interfaz de Transporte de humedad en medios porosos proporciona una función de Medio poroso higroscópico de forma predeterminada y se puede utilizar para modelar el transporte de humedad en medios porosos mediante convección y difusión de vapor, así como convección de agua líquida y flujo capilar. La nueva interfaz tiene en cuenta la convección en las fases líquida y gaseosa debido a las variaciones de presión total, modelando el flujo capilar del líquido y añadiendo soporte para las fuerzas de gravedad. Se puede combinar con la funcionalidad Aire húmedo para modelar el efecto de un flujo de aire húmedo en un medio poroso.
En la interfaz de Transferencia de Calor, la nueva característica de dominio deMedio Poroso Húmedo define las propiedades efectivas del material a partir de las propiedades de sólido, agua líquida y aire húmedo individualmente. El subnodo Aire húmedo define las propiedades del material teniendo en cuenta el contenido de humedad y calcula el flujo convectivo y el flujo de entalpía difusivo en aire húmedo. El subnodo de agua líquida define el campo de saturación y de velocidad del agua líquida, que puede establecerse automáticamente mediante el acoplamiento multifísico de Calor y humedad, si está disponible. Las propiedades de sólido se manejan por el subnodo Matriz porosa. Estas nuevas funcionalidades se pueden utilizar para aplicaciones de enfriamiento por evaporación y secado.
Concentración de vapor y líneas de corriente del flujo total en una muestra húmeda expuesta a un flujo de aire seco y cálido. En la versión 5. de COMSOL Multiphysics® se facilita la configuración del modelo mediante nuevas funcionalidades para el transporte de calor y humedad en medios porosos.
Características renovadas de los medios porosos para el transporte de especies diluidas
La interfaz de Transporte de especies diluidas en medios porosos se ha renovado para utilizar el nuevo nodo Medio poroso. Dos nuevas características de dominio, los nodos de Medio poroso y Medio poroso insaturado, están disponibles en la interfaz de Transporte de especies diluidas en medios porosos. Puede utilizarse el nuevo nodo Medio poroso para asignar propiedades de material a las múltiples fases en un medio poroso. Los nuevos nodos tienen contenedores dedicados para definir las propiedades del líquido, el gas y la matriz porosa. Puede verse esta funcionalidad en el tutorial "Ceramic Water Filter with Activated Carbon Core".
Concentración de contaminantes en una vela de filtro de agua cerámico.
Detección automática de material de gas ideal en transferencia de calor en fluidos
La funcionalidad Fluido, disponible dentro de las diversas interfaces de transferencia de calor, ha sido actualizada para aprovechar la asunción de gas ideal para mejorar la eficiencia computacional. La nueva opción Desde material de la lista Tipo de fluido detecta automáticamente si el material aplicado en cada selección de dominio es un gas ideal o no, y utiliza las propiedades relevantes para cada caso. Esto puede acelerar el cálculo cuando se calcula el trabajo de la presión en flujos no isotérmicos compresibles, por ejemplo. Dado que los gases disponibles en COMSOL Multiphysics® y en la Biblioteca de materiales se modelan como gases ideales, se espera que muchos modelos con flujo no isotérmico compresible se beneficien de esta mejora.
Distribución de temperatura (gráfico de superficie) y velocidad (flechas y líneas de corriente) en una bombilla LED. Al utilizar la formulación de gas ideal automáticamente, el tiempo de cálculo es un 10% más corto en COMSOL Multiphysics® versión 5.6.
Condición de contorno de interfaz de cambio de fase
La nueva condición de contorno Interfaz de cambio de fase, combinada con la función de geometría deformada, define la interfaz entre dos dominios correspondiente a dos fases diferentes. Esta condición de contorno se basa en la condición de Stefan; establece la temperatura de cambio de fase, define la velocidad frontal a partir del calor latente del cambio de fase y especifica la evaluación del lado sólido y del salto del flujo de calor. Esta condición de contorno modela la transformación de fase como una interfaz perfilada y se puede utilizar para una serie de aplicaciones, incluida la fusión de metales puros, como se ve en el modelo "Tin Melting Front", o solidificación o sublimación, como se ve en el modelo "Freeze-Drying".
Fases de gas y sólido (izquierda), e interfaz de cambio de fase, temperatura y lineas de corriente de flujo de calor total (derecha).
Nuevos modelos tutoriales
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Analyzing Porous Structures on the Microscopic Scale |
Optimization of a Porous Microchannel Heat Sink |
COMSOL Multiphysics 6.1