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  • 在ABAQUS中使用多孔介质模型

    千次阅读 2020-07-13 23:57:01
    ABAQUS软件可以进行渗流/应力耦合分析,上一篇博文也提到过,ABAQUS里很多的本构模型可以与多孔介质一起结合使用,这意味着可以对那些本构模型描述的材料或对象进行渗流/应力耦合分析。ABAQUS使用孔压单元进行渗流/...

    在ABAQUS中使用多孔介质模型

    引言

    ABAQUS软件可以进行渗流/应力耦合分析,上一篇博文也提到过,ABAQUS里很多的本构模型可以与多孔介质一起结合使用,这意味着可以对那些本构模型描述的材料或对象进行渗流/应力耦合分析。ABAQUS使用孔压单元进行渗流/应力耦合分析,该孔压单元包含了位移和孔隙压力这两个基本自由度。结合孔压单元,设置材料的多孔介质属性(主要为渗透系数和初始孔隙比),就可以对现实对象的多孔介质属性进行建模。ABAQUS进行渗流/应力耦合分析的基本理论是Darcy定律和有效应力原理。

    ABAQUS多孔介质属性设置

    渗透系数设置

    假设你已经给一种材料添加了弹性、塑性等力学行为,那么打开材料编辑对话框,按这样的步骤设置渗透系数:Other–>Por Fluid–>Permeability,弹出一下对话框,并添加了一个Permeability的材料行为。需要输入渗透系数和液体比重。如果你的分析中,材料发生很大的变形(孔隙比变化),导致渗透系数发生较大变化。那么渗透系数是随孔隙比变化的。ABAQUS是用渗透系数随孔隙比的变化曲线来描述这样的情形,这时需要输入很多行数据。如果渗透系数变化不大(或者假设不变)输入一行数据就可以了。随后还要记得输入液体的比重。如下图所示

    在这里插入图片描述

    设置soil分析步

    在ABAQUS中进行渗流/应力耦合分析时,需要应用soil分析步,否则将不会计算孔隙压力。设置如下图2所示

    在这里插入图片描述
    设置孔压单元

    在mesh模块中给部件设置Pore Fluid/Stress单元,如图3所示。其他阶次、积分方法等参数根据你自己的需要设置。

    在这里插入图片描述

    设置初始 孔隙比

    在分析开始前,需要对材料给定一个初始孔隙比,随后材料的孔隙比将会随变形而发生变化,将由ABAQUS计算得出。设置孔隙比在Load模块,步骤:单击预定义场按钮,设置Name,应用的分析步step,类型为设置为Other,Types设置为Void ratio。如下图4所示,然后单击Continue,然后选择在窗口或set管理器中需要设置的部件或区域,然后单击对话框的Continue,将弹出一个新的对话框,如图5所示。

    在该对话框,可以编辑初始孔隙比。由于孔隙比是一个场变量,在不同的材料区域有可能是均匀的常数,有可能是线性变化的,有可能是与坐标成函数关系,也有可能是毫无规律的,通过测量获得。ABAQUS提供了多种方法定义初始孔隙比,包括一致性的常数、线性变化、函数关系和用户自定义等多种方式。这可以根据你自己的需要在这个对话框中进行设置,如图5所示。

    在这里插入图片描述
    图4 设置初始孔隙比

    在这里插入图片描述

    小结

    在ABAQUS中使用多孔介质主要进行这几项设置:添加渗透系数,分析步设置为soil,设置孔压单元,设置初始孔隙比。其他的一些细节和辅助参数设置这里就不累赘了,具体参考ABAQUS用户手册或相关教材。多孔介质渗流在器官组织的液体流动、底下水渗流、植物组织液体输送、环境污染物扩散、植物压榨提汁等等的现象中都会涉及到渗流。ABAQUS中不提供单独的孔压单元,若不考虑材料的变形,仍使用Pore Fluid/Stress单元,只是把把材料的位移自由度约束(或者添加刚体约束)。如果材料发生较大变形,应力变化影响了材料的水力传导特性,那么就要考虑渗流/应力耦合分析,才能获得更准确的结果。

    展开全文
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    【实例简介】

    好文献大家一定要顶,不要错过啊!确定多孔介质流动参数的格子Boltzmann方法

    4期

    钱吉裕等:确定多孔介质流动参数的格子 Boltzmann方法

    657

    3多孔介质的构造及边界条件

    30

    孔隙率为0.5058

    250

    孔隙率为04112

    本文中的多孔介质是用实际泡沫金属材料的电

    ▲孔隙率为04563

    20U

    镜照片(如图3(a))经过图像处理方法得到的,图像

    处理过程主要包括灰度拉伸、梯度锐化、噪声去除

    100

    阈值变换以及中值滤波等。图3(b)和3(c)是处理得

    到的两种不同孔隙率的多孔介质,图像中的每个像

    素对应一个格子,利用格子上的灰度值,可以判定每

    00000.020.00400060.008

    个格子点上的材料属性。根据位图中个像素上的灰

    速度/m/s

    度值,可统计得到孔隙率,有效孔径等结构参数。

    图5压力梯度与速度的关系

    本义的数值计算中,流体工质选用水,根据式5结论

    c=1,T=1.0;格子数150×300。边界条件设定

    本文釆用D2Q9不可压模型计算了多孔介质中

    如下:入口边界为un=Uhm,un=0;出口边界为的流场,针对多孔介质中的LB模型给出了计算多孔

    尸=Pm;上下边界取周期边界;流体通道与固体介质渗透率的一种简便方法,验证∫ Darcy定律。运

    骨架之间采用无滑移反弹边界条件

    用该方法,可以研究孔隙中介观层次的流动机制

    还可以计算一般各向同性或非同性多孔介质的宏观

    4数值结果及讨论

    渗透率。

    本文运用图象处理方法构造的多孔介质结构,

    图4是针对上述方法构造的多孔介质,采用LB能较好地体现实际多孔介质的儿何特性,该方法是

    方法计算得到的速度矢量图,流体从左边界流进,

    种构造二维多孔介质的快速有效的方法。

    从图中可以看出横向孔道中的流速普遍大于纵向孔

    道的流速,这是因为在该边界条件下,压力梯度主参考文獻

    要在横向

    林瑞泰多孔介质传热传质引论.北京:科学出版社,1995

    在层流条件下,不考虑重力的作用

    arc

    y定

    [2]郭照立,李青,郑楚光双扩散自然对流的格子 Boltzmann

    律可以写成阿

    模拟.计算物理,2002,19(6):483487

    ]许友生,刘慈群,俞慧丹多孔介质中两相驱离的格子 Boltz

    man模型新研究.应用数学和力学,2002,23(4):353-359

    yp

    (10)

    [4 Bruce J Palmer, David R. Rector Lattice Boltzmann Al-

    gorithm for Simulating Thermal Flow in Compressible

    对于非规则多孔介质,如果宏观上是各向同性材

    Fluids. J. Computational Physics, 2000, 161: 1-20

    料,选择足够大的计算区域就可以认为K是一个标

    5] Zhaoli Guo, Baochang Shi, Chuguang Zheng, A Couple

    Lattice BGK Model for the Boussinesq Equations. IntJ

    量,根据速度与压差的关系就可以计算出渗透率(如

    Numer. Meth. Fluids. 2002. 39:325-342

    图5),图中,孔隙率为04112,04563,0.5058的多刘雅仁,陈若航李华兵等二维对流扩散方程的格子Bo

    孔介质的渗透率分别为548×10-11mn2,666×10-11

    amn方法.物理学报,1999,48(10):1800-1803

    7]孔样言.高等渗流力学.合肥中国科学技术大学出版社,

    m2,8.19×10-1m2。

    1999

    图4多孔介质内的速度矢量图(右图是左图指定区域的局部放大图〕

    【实例截图】

    【核心代码】

    展开全文
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    目录

    试验测量

    经验公式

    软件参数设置方法


    本文主要解决的问题是如何确定多孔介质的惯性和粘性阻力系数。

    试验测量

    1. 通过实验测出多孔介质的压降\Delta P和流量Q的多组数据;
    2. 根据流通面积将流量Q换算成表观速度v
    3. 根据实验测量的多孔介质在流动方向上的长度L,将压降转换为压力梯度\frac{dP}{dx}=\frac{\Delta P}{L};
    4. \frac{dP}{dx}v做二次拟合,得到速度一次方和二次方的系数;
    5. 根据Forchheimer定律\frac{dp}{dx}=av+bv^2,其中a即粘性项阻力系数,b即惯性项阻力系数;
    6. 对应的拟合系数就是所需要的阻力系数。

    以上说明是以x方向为例,其他方向类似。

    经验公式

    对于多孔材料中的流动问题,目前采用较多的仍是以Forchheimer为代表的流动阻力模型:

    \frac{\Delta p}{L}=av+bv^2

    式中:\Delta p /L为压力梯度,v为材料的表观流速,a为粘性项阻力系数,b为惯性项阻力系数。

    Ergun基于颗粒填充床的大量实验研究,对Forchheimer模型进行了修正,提出了著名的Ergun方程,此方程由于引入了颗粒直径、孔隙率以及流体物性参数而被广泛接受和验证,并被发展为所谓的Ergun型方程:

    \frac{\Delta p}{L}=A \frac{(1 - \epsilon )^2 \mu }{\epsilon^3 d_p^2} v+B \frac{(1-\epsilon)}{\epsilon^3d_p}\rho v^2

    式中:A为粘性项无量纲系数,B为惯性项无量纲系数,\epsilon为材料孔隙率,d_p为颗粒直径。

    关于经验系数A、B,不同的研究者给出了各自的经验值,如Ergun给出A=175、B=1.75;Macdonald给出A=180、B=1.8;Irmay给出A=180、B=0.6等。

    软件参数设置方法

    实验测量可以直接得到粘性项和惯性项阻力系数,其设置方法可参考Star CCM+多孔介质仿真(一)

    对于通过经验公式得到的阻力系数,一种方法是自己先根据材料孔隙率和颗粒直径等参数直接把各阻力系数算出来,然后再添加到软件中,方法同上。

    下面是用Star CCM+的Field Function功能来进行参数设置的过程。

    Field Function是Star CCM+中存取求解器内单元和边界数据的机制,在Star CCM+中应用非常广泛。虽然使用Field Function没有直接写程序那么灵活,但无须安装特别的编译器,其功能强大、简单易用的特点给工程师们提供了很大的操作空间。

    已知参数:

    材料孔隙率\epsilon=0.3

    颗粒直径d_p=1mm

    参数设置步骤:

    (1)定义材料孔隙率

    在Tools节点下展开Field Functions节点,右键Field Functions节点,选择new -> Scalar左键确定,创建一个新的Field Function。

    在Field Functions节点下生成一个名为“User Field Function 1”的新函数,重命名为“Bed Porosity”,把Properties对话框中的Function Name也重命名为“Bed Porosity”,Definition改为0.3,孔隙率是无量纲,Dimension默认就是无量纲的(Dimensionless),不用改。

    (2)定义颗粒直径

    操作方法与上面相同,名字为“Bed Sphere Diameter”,量纲为“Length”,数值定义为0.001(m)。

    (3)定义粘性项阻力系数

    同样的方法创建一个新的scalar函数,重命名为“Ergun Viscous Term”,量纲改为Mass \cdot Length^{-1} \cdot Time^{-1},公式定义为

    175.0*$DynamicViscosity*pow((1-$BedPorosity),2)/(pow($BedPorosity,3)*pow($BedSphereDiameter,2))

    (注:这里经验系数A取175)

    输入公式时,已存在的变量或函数会再你输入前几个字面后在下拉列表中显示,如图。然后从列表中选择相应的变量或函数

    最终输入的公式如下图,

    如果变量写错了,不存在的变量会显示成红色,方便检查错误,比如下面的DynamicViscosity就写错了。一般从列表选是不会出错的。

    公式输入完成后,点击OK,这样粘性项就定义好了。

    (4)定义惯性项阻力系数

    方法同(3),重命名为“Ergun Inertial Term”,量纲为Mass \cdot Length^{-4},定义公式为

    (1.75*$Density*(1-$BedPorosity))/
(pow($BedPorosity,3)*$BedSphereDiameter)

    (注:这里经验系数B取1.75)

    (5)将定义好的阻力系数添加到Region的多孔介质中

    选择Region -> Porous -> Physics Values -> Porous Inertial Resistance -> Isotropic Tensor -> Isotropic Component,在Method中选择Field Function

    单击Scalar Function右边的<Select Function>,然后弹出一个对话框,在对话框中搜索“ergun”,相关的函数就显示出来了,选择Ergun Inertial Term函数,然后单击OK。

    惯性项阻力系数就设置好了

    粘性项阻力系数的设置方法相同

    材料孔隙率也可以用Field Function的方法设置,如下

    另外,多孔材料还有一个参数——迂曲率(tortuosity),软件在计算扩散系数时会用到,和孔隙率一样是输入数据。迂曲率也可以像孔隙率一样用Field Function进行设置,其计算可以根据经验公式用孔隙率来计算详见文献【4】,截图如下。

     

     

    参考文献:

    1. 张新铭, 凌娅, 谷沁洋. 多孔石墨泡沫材料内流动阻力的扩展Ergun方程[J]. 材料导报, 2012, 26(4).
    2. 王补宣. 多孔介质中单相对流换热分析的流体渗流模式[J]. 上海交通大学学报, 1999(08):52-55.
    3. Zeng Z , Grigg R . A Criterion for Non-Darcy Flow in Porous Media[J]. Transport in Porous Media, 2006, 63(1):p.57-69.
    4. 李滔, 李闽, 张烈辉, et al. 微多孔介质迂曲度与孔隙结构关系[J]. 天然气地球科学, 2018(8):1181-1189.
    5. Star CCM+官方帮助文档。
    展开全文
  • 基于多孔介质的有效应力原理,建立起饱和破碎岩体非达西渗流流固耦合的非线性动力学模型,并对其一维解耦动力学方程进行无量纲变换,通过逐次亚松弛迭代法,得到其收敛于平衡态的孔隙压力及渗流速度时间序列.分析了系统...

空空如也

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