多孔介质流动的直接数值模拟

流体在多孔介质中的流动是质子交换膜燃料电池和储氢罐多孔材料中发生的重要基本现象。多孔介质具有巨大的比表面积和微小的孔径。流体在流经多孔介质时会受到粘性阻力和惯性阻力的影响。用于模拟多孔介质中流动的唯象模型和经验模型很多，如达西定律和尔格方程。达西定律仅考虑了粘性阻力的影响，而尔格方程还考虑了惯性阻力的影响。这些模型中的阻力系数多来源于大量的实验。直接数值模拟(DNS: Direct Numerical Simulation)方法则不包含任何用于多孔介质的经验模型，被推荐用于模拟多孔介质中的流动。本文基于计算流体动力学软件Fluent建立了一个二维DNS模型，研究了多孔介质中的流动阻力和压降。模拟时对填充的圆柱粒子采用了两种几何排列方式，即直排和叉排。DNS直排模型的压差为53.5 Pa，接近于采用原始系数A=150, B=1.75的尔格方程计算结果55.6 Pa。叉排模型的压差为65.1 Pa，接近于采用修正系数A=180, B=1.80的尔格方程计算结果62.1 Pa。对于真实多孔介质材料的模拟来说，圆柱形粒子叉排比直排更为准确。因此DNS结果确认了修正系数组(A=180, B=1.80)比原始系数组(A=150, B=1.75)更适合尔格方程模型。应用本文推荐的DNS方法，通过采用不同的粒子几何排列方式、填充不同形状的粒子可以进一步地预测尔格方程系数或改善其他的多孔介质模型。