如何使用SolidWorks Flow Simulation计算多孔性材质系数

一事无成丁少爷

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大多数的多孔性材质(Porous Media) 如滤心或筛子之类的产品，不容易使用分析方式求得压力阻抗数据。拥有多孔的板子是多孔性材质中比较特殊的案例，使用者可以撷取局部几何使用分析功能来测试其性质参数，只要定义几种流率并测试出每种状况的压力降对应流率的数据，计算出来的系数输入至工程数据库(Engineering Database)中，以后要应用此多孔板就可以直接以多孔性材质参数设定。

　　大多数的多孔性材质(Porous Media) 如滤心或筛子之类的产品，不容易使用分析方式求得压力阻抗数据。拥有多孔的板子是多孔性材质中比较特殊的案例，使用者可以撷取局部几何使用分析功能来测试其性质参数，只要定义几种流率并测试出每种状况的压力降对应流率的数据，计算出来的系数输入至工程数据库(Engineering Database)中，以后要应用此多孔板就可以直接以多孔性材质参数设定。

　　我们将直接以一个多孔板的实例介绍如何定义出多孔性材质的系数。

　　如图1所示，这是一个多孔板，我们想要测试其多孔性材质系数。这是由数组出来的孔，孔型大小及间距都一致。因此可以用图2简化的模型来测试，仅用几个孔表示。这样模拟的效率较好。

　　将简化的多孔板零件插入至一方型管路中。(图3)

　　接下来执行几组分析，流入端设定不同的流速，求得压力降的结果。在此范例中，流入端的流速我们选择0.1、0.5、2及5m/s。

　　流体流经每个孔时都会造成局部的紊流，然后在隔一段距离的管路下游就会流动稳定。以XY Plot撷取穿过中心孔由流入端到流出端的压力结果值(图4)，可以看到在通过多孔板时，由于流通的截面积缩减，流速增加，压力下降。然后在下游处，压力值就上升回稳至一个数值，所以我们就可以估测出压力降(Pressure Drop)的数值。

　　透过此方式，分析4 种不同流速时的压力降。下表是分析的结果摘要。

　　接着先来介绍选择流体流动阻抗的方法。

　　在solidworks Flow Simulation(Simulation FloWorks) 中，多孔性材质的流动阻抗计算方式有4种(图5)：Pressure Drop Flowrate Dimensions、Dependency on velocity 、Dependency on reference pore size (D)、Dependency on reference pore size (D) and Reynolds。

　　在本实例中，我们将使用Dependency on velocity的方法[k=(A*V+B)/ρ]

　　系数A与B可以使用下列2个方程式计算出来：k=-grad(P)/(ρ*V)及k=(A*V+B)/ρ

　　方程式可以简化为：grad(P)=A*V2+B*V

　　在本实例中，grad(P)是假设为多孔性材质的参数。因此grad(P)=压力降/厚度。

　　压力降及流速可以由前文介绍的模拟方法计算出来，结果如列表所示。厚度值就是我们拿来分析的多孔板的厚度，本实例中，多孔板厚度是10mm。

　　则grad(P)的计算结果如下表所示：

　

　　上表的结果中的流速与grad(P)关系曲线可以用一个二阶方程式拟合

　　grad(P)=A*V2+B*V

　　有很多方式可用来求出A与B两个系数的值。

　　在本实例中，两个系数的值为A=116800kg/m^4及B=1500kg/(s*m^3)

　　将两个系数值代入至grad(P)公式中，与分析得到的grad(P)值比较。

　　

　　藉由A与B系数的求得，就可以在Engineering Database中定义多孔性材质，如图6所示。

　　若要确认此系数值是否符合真实状况，可执行一个验证分析，使用多孔性材质设定取代范例中的多孔板，如图7所示。

　　使用多孔性材质设定方式，当流入端流速为5m/s时，压力降为29275.1184Pa(图8) 。使用方程式grad(P)=A*V2+B*V计算出来的压力降值为29275Pa。

　　[参考数据]：

　　1. SolidWorks Flow Simulation 2009 Technical Reference , “Flow in Porous Media” Chapter。

　　2. SolidWorks Simulation Knowledge Base, Article ID:x430,“How to determine porous medium coefficient by simulation”。

　　3. SolidWorks Simulation Knowledge Base, Article ID: x318,“ Interactions between porous media and particles”。

　　

yuan1389

多谢分享！FLow的简化工具大都非常好用。