MẸO VÀ THỦ THUẬT: CÁCH DIỄN GIẢI KẾT QUẢ CHO CÁC MIỀN ĐA HƯỚNG & XỐP BẰNG VẬN TỐC THẬT VÀ VẬN TỐC

Một câu hỏi thường gặp là: Vận tốc bề ngoài là gì và khi nào tôi sử dụng nó ?

 

Nếu một chất lỏng chảy qua một vùng bị chiếm bởi các cấu trúc cố định (vùng xốp, giá đỡ ống, lớp xúc tác, v.v.) hoặc chia sẻ kênh với các chất lỏng khác (ví dụ như dòng chất lỏng khí), có hai cách để mô tả vận tốc chất lỏng.

 

Đầu tiên là sử dụng "Vận tốc thật" là vận tốc thực tế của các hạt chất lỏng. Vận tốc này sẽ thay đổi theo vị trí trong ma trận xốp. Đây là vận tốc bạn sẽ đo bằng thực nghiệm nếu bạn tập trung vào một vùng chất lỏng nhỏ.

 

Thứ hai là "Vận tốc bề ngoài", là vận tốc mà chất lỏng sẽ có nếu nó chảy qua cùng một miền mà không có bất kỳ vật cản nào. Đây là một đại lượng rất hữu ích vì trong dòng chảy không thể nén được, nó được bảo tồn bất kể sự biến đổi của độ xốp. Do đó, ngay cả tại một ranh giới giữa một vùng xốp và chất lỏng liên tục, vận tốc bề mặt không thay đổi, trong khi đó vận tốc thực phải tăng ở vùng xốp để khối lượng được bảo toàn.

 

Hai vận tốc này có liên quan dễ dàng thông qua , trong đó s là vận tốc bề mặt, true là vận tốc thực và  ε là độ xốp (phần cục bộ của thể tích chiếm bởi chất lỏng).

 

Nếu bạn nghiên cứu các luồng đa hướng, bạn chắc chắn sẽ gặp vận tốc bề ngoài vì nó được sử dụng để mô tả hệ thống dòng chảy. Sử dụng vận tốc bề mặt có lợi ích mà nó được bảo toàn (đối với dòng chảy không thể thay đổi mà không thay đổi pha) bất kể mức độ phức tạp của chế độ dòng chảy, ví dụ nếu chế độ dòng chảy thay đổi từ dòng chảy sủi bọt sang dòng chảy sên, tốc độ bề mặt không đổi mặc dù cục bộ vận tốc khác nhau. Các bản đồ vẽ vận tốc bề mặt khí trên một trục và vận tốc bề mặt lỏng trên trục kia được gọi là bản đồ chế độ và được sử dụng để xác định ranh giới giữa các chế độ khác nhau. Khi trực quan hóa kết quả của các mô phỏng dòng chảy đa pha, ANSYS CFD-Post sẽ tự động cung cấp cho người dùng lựa chọn vẽ đồ thị Biến tốc độ siêu tốc hoặc biến số Vận tốc (Đúng).

 

Việc sử dụng vận tốc bề mặt cũng thường gặp phải khi xử lý các tương quan giảm áp suất cho các vùng xốp, có thể là độ xốp thực sự hoặc độ xốp được sử dụng để thể hiện vật cản dòng chảy. Một nhà thực nghiệm có thể sử dụng vận tốc bề ngoài hoặc vận tốc thực để mô tả hệ thống của họ, nhưng khi xem xét dữ liệu thực nghiệm, điều đáng biết là sử dụng vận tốc bề mặt phổ biến hơn vì điều này có thể được đo bên ngoài vùng xốp.

 

Xem xét luật Darcy cho chậm dòng chảy (không đáng kể quán tính) trong một môi trường xốp, có liên quan với lưu lượng thể tích thông qua một khuôn mặt trao cho các tổn thất áp suất qua  đó q là lưu lượng thể tích,  κ là thấm, μ là độ nhớt động lực và p là sức ép. Ở đây q có thể được thay thế bằng diện tích dòng nhân với vận tốc bề ngoài, để phương trình trên trở thành:  trong đó bây giờ v phải là vận tốc bề ngoài.

 

Để giúp chứng minh sự khác biệt giữa vận tốc bề mặt và vận tốc thực trong mô hình CFD với miền xốp, chúng ta hãy xem xét dòng chảy thông qua bộ chuyển đổi xúc tác. Một miền xốp được sử dụng để đại diện cho chất nền gốm nguyên khối. Khí thải chảy qua cửa vào, đi qua một sự giãn nở dẫn đến miền xốp, và sau đó chảy qua một sự co lại và lối thoát. Chất nền không thấm theo hướng X và Y, và tổn thất theo hướng Z được thể hiện bằng cách chỉ định độ xốp thể tích và hệ số tổn thất bậc cao hơn.

Khi xử lý hậu mô hình trong CFD-Post, chúng ta có thể hình dung sự sụt giảm áp suất do chất nền bằng cách chèn một mặt phẳng hai chiều, hoặc tương tự, bằng cách sử dụng biểu đồ.

Sự sụt giảm áp lực do miền xốp khá rõ ràng bằng cách sử dụng cả hai kỹ thuật trực quan. Chúng ta có thể sử dụng cùng một kỹ thuật để vẽ vận tốc dòng chảy:

 

Rõ ràng là một bước nhảy trong vận tốc âm mưu xảy ra trong miền xốp. Điều này là do vận tốc được hình dung bởi CFD-Post là vận tốc thực tế hoặc thực sự, và do các vật cản xốp, dòng chảy sẽ tăng tốc trong vùng xốp. Để biểu thị tốc độ đại diện hoặc bề mặt của dòng chảy qua chất nền, chúng ta có thể tạo Biến người dùng xác định trong CFD-Post tham chiếu biểu thức vận tốc nhân với độ xốp của khu vực (hoặc tương đương độ xốp thể tích trong vật liệu đẳng hướng), như sau:

Chèn một biểu thức bằng cách bấm vào tab Biểu thức trong CFD-Post và đặt tên biểu thức một cách thích hợp. Đặt giá trị là Vận tốc * Độ xốp khối lượng cho mô hình đẳng hướng. Sau đó chèn một biến mới bằng cách nhấp vào tab Biến , Chèn biến mới và tham chiếu biểu thức trước đó của bạn.

 

Bây giờ chúng ta có thể vẽ Vận tốc bề mặt như một biến dòng chảy trên mặt phẳng trung tâm của chúng ta và trong biểu đồ đường (như bên dưới) và, như bạn mong đợi, chúng ta không còn quan sát thấy bất kỳ sự gián đoạn nào ở ranh giới miền xốp.

Chúng tôi hy vọng rằng bài đăng này đã giúp làm sáng tỏ một số quan niệm sai lầm phổ biến về việc sử dụng vận tốc hời hợt và chân thực trong mô phỏng CFD. Vui lòng cho chúng tôi biết trong các nhận xét bên dưới nếu điều này đã giúp bạn với mô hình CFD của bạn hoặc nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào khác.