[发明专利]一种基于CFD的容尘状态下多孔介质的阻力计算方法

权利要求书

1.一种基于CFD的容尘状态下多孔介质的阻力计算方法，其特征在于，其步骤为：

步骤一、构建纤维过滤介质的细观三维几何模型；

步骤二、对细观模型进行网格划分，并保证最低网格质量高于0.25；

步骤三、将网格模型导入Ansys-Fluent软件中进行流场分析计算，得到不同填充密度模型在不同过滤风速下的压力损失；

步骤四、对细观模拟的边界条件与相关参数进行设置；

步骤五、通过改变纤维过滤介质的填充密度、纤维直径、厚度与进口流量，得到细观条件下纤维过滤介质的阻力值；

步骤六、对阻力值进行拟合，得到细观条件下纤维过滤介质的无因次压力损失的关联式；

步骤七、建立纤维过滤介质的宏观多孔介质模型，基于步骤六得到的无因次压力损失关联式，整理得到多孔介质模型中粘性阻力系数；

步骤八、利用ANSYS-Fluent中用户自定义函数，建立容尘状态下宏观尺度模型；

步骤九、控制多孔介质网格单元孔隙率阈值，实现颗粒在多孔介质中不同分布形式的捕集；

步骤十、利用实验数据或经验公式得到容尘量与阻力之间变化规律，以此校准宏观尺度模型；

所述的步骤六中，得到的细观条件下纤维过滤介质的无因次压力损失的关联式如下：

f(α)＝2031.7x³-616.2x²+90.7x-3.3 (3)

其中，f(α)为无因次压力损失，x为纤维过滤介质的填充密度；

同时，纤维过滤介质在低流速、小雷诺数情况下运行，其压力损失服从达西渗流定律，表示如下：

式中，Δp为压力损失，η为流体的动力粘度，d_f为纤维直径，V为过滤速度，L为厚度，α为填充密度；

所述的步骤七中，按照纤维过滤介质的实际外观尺寸建立宏观尺度模型，并将纤维过滤介质简化为CFD多孔介质；将步骤六中得到的式(3)，无因次压力损失关联式，与式(5)动量守恒方程，进行化简整合，进而得到多孔介质各方向上清洁状态的粘性阻力系数值C₁，即式(6)，

式中，v_i为某一方向的空气流速，v为空气流速，η为流体的动力粘度，C₂为惯性阻力系数，ρ为流体的密度。

2.根据权利要求1所述的一种基于CFD的容尘状态下多孔介质的阻力计算方法，其特征在于：所述的步骤一中，基于纤维过滤介质的电镜图片，提取其结构参数，从而建立纤维过滤介质的细观三维几何模型；所述的步骤二中，利用ICEM CFD软件进行非结构化四面体网格的划分，以实现计算域离散。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于CFD的容尘状态下多孔介质的阻力计算方法，其特征在于：所述的步骤三中，针对连续相，采用不可压缩流体的连续性方程和纳维－斯托克斯方程进行控制，控制方程如下：

式中，为流体瞬时速度矢量，p为压强，η为流体的动力粘度，ρg为单位体积流体所受重力。

4.根据权利要求3所述的一种基于CFD的容尘状态下多孔介质的阻力计算方法，其特征在于：所述的步骤四中，在入口处采用速度入口边界条件，出口采用压力出口边界条件；设置内部面作为压力提取面，纤维表面的气流采用无滑移边界条件。

5.根据权利要求4所述的一种基于CFD的容尘状态下多孔介质的阻力计算方法，其特征在于：所述的步骤五中，建立6种填充密度、4种纤维直径和4种厚度的纤维过滤介质模型，共计96种；改变纤维过滤介质的进口流量，分别得到进口流速分别为0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s、0.4m/s和0.5m/s时细观条件下纤维过滤介质的阻力值。