Modéliser le transport de masse, de quantité de mouvement et d'énergie dans les milieux poreux

Une vue détaillée d'un modèle d'inclusion gelée où le bloc de glace est représenté par un cylindre gris clair.

Une vue détaillée d'un modèle de doublet géothermique dans la palette de couleur Caméra Thermique.

Vue détaillée de quatre modèles de tests de détection rapide avec une gouttelette rouge pénétrant dans le test supérieur.

Vue détaillée d'un modèle microscopique de structure à l'échelle des pores avec des lignes de courant en bleu et magenta.

Optimisez une multitude de procédés industriels

La nécessité d'une modélisation avancée des milieux poreux s'étend à de nombreuses industries et applications, par exemple dans l'industrie pharmaceutique ou alimentaire. Le module Porous Media Flow aide les ingénieurs et les scientifiques des secteurs agricole, chimique, civil et nucléaire à analyser les écoulements en milieu poreux et à optimiser leurs designs et leurs procédés.

La simulation est utilisée pour capturer les effets des milieux poreux sur les processus de transport lors de la modélisation de nanomatériaux, de réacteurs poreux, du refroidissement de composants électroniques et d'applications géotechniques à grande échelle. COMSOL Multiphysics^® fournit un ensemble complet d'outils de modélisation regroupés dans des interfaces physiques, qui configurent et résolvent automatiquement les équations spécifiques au type d'écoulement en milieu poreux que vous modélisez.

Caractéristiques et fonctionnalités du module Porous Media Flow

Le module Porous Media Flow apporte des fonctionnalités spécialisées adaptées à la prise en compte de divers processus dans les milieux poreux.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec l'interface Loi de Darcy multicouches mise en évidence et le graphique de pression résultant pour un modèle de couche poreuse mince.

Ecoulements lents en milieu poreux

La loi de Darcy décrit le mouvement d'un fluide à travers les interstices d'un milieu poreux saturé, induit par un gradient de pression, dans lequel le transfert de quantité de mouvement dû aux contraintes de cisaillement dans le fluide est négligeable. L'interface Loi de Darcy calcule la pression. Le champ de vitesse est ensuite déterminé par le gradient de pression, la viscosité du fluide et la perméabilité. L'interface Loi de Darcy dans les coques multicouches peut être utilisée pour simuler l'écoulement de fluides à travers les interstices de milieux poreux stratifiés, tels que le carton, les composites ou le contreplaqué.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud du modèle d'équation de Richards mis en évidence ainsi que des tests de détection rapide dans la fenêtre graphique.

Ecoulement en milieu poreux à saturation variable

L'équation de Richards décrit le mouvement d'un fluide dans un milieu poreux partiellement saturés, en prenant en compte les changements des propriétés hydrauliques à mesure de la saturation ou de l'insaturation de certains pores. L'interface Equation de Richards contient différents modèles de rétention de fluide intégrés que l'utilisateur peut sélectionner, comme les modèles de van Genuchten ou de Brooks–Corey. A l'instar de l'interface Loi de Darcy, seule la pression est calculée. L'équation de Richards est non linéaire car les propriétés hydrauliques varient en fonction de la saturation, ce qui peut rendre sa résolution difficile sans logiciel de calcul.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Propriétés des fluides et des fractures sélectionné et un modèle de filtre à eau en céramique dans la fenêtre graphique.

Ecoulement en fracture

Des fractures dans un milieu poreux affectent les propriétés de l'écoulement à travers la matrice poreuse. L'interface Ecoulement en fracture résout la pression sur les frontières internes (2D) dans une matrice 3D, selon une ouverture définie par l'utilisateur. La pression calculée est automatiquement couplée à la physique décrivant l'écoulement du milieu poreux dans la matrice environnante, approximation qui permet d'économiser le temps et les ressources de calcul nécessaires au maillage des fractures.

Une vue rapprochée des paramètres d'écoulement multiphasique dans les milieux poreux avec la section interfaces couplées développée, et un modèle de lentille dans la fenêtre graphique.

Ecoulement multiphasique en milieu poreux

La fonctionnalité de transport de phase peut être combinée avec l'interface Loi de Darcy pour simuler un écoulement multiphasique en milieu poreux avec un nombre arbitraire de phases. Les utilisateurs peuvent spécifier les propriétés des milieux poreux telles que les perméabilités relatives et les pressions capillaires entre les phases. Ces propriétés sont transmises entre les phases grâce à un couplage multiphysique qui couple l'interface Transport de phase en milieu poreux à l'interface Loi de Darcy.

Poroelasticité

La compaction et le gonflement peuvent être modélisés avec une interface physique dédiée à la poroélasticité, qui combine une formulation transitoire de la loi de Darcy avec un modèle de matériau élastique linéaire de la matrice poreuse. L'écoulement du fluide affecte la compressibilité du milieu poreux, tandis que les variations des déformations volumétriques affectent à leur tour le transport de la quantité de mouvement, de la matière et de la chaleur. Pour utiliser ces effets, l'interface multiphysique Poroelasticité comprend une expression du tenseur des contraintes, en fonction de la déformation volumétrique, et du coefficient de Biot-Willis. Une interface multiphysique Poroélasticité, coques multicouches est également disponible. Elle permet de modéliser des domaines multicouches (cartons, composites, etc.) ayant des propriétés matériaux différentes par couche.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec l'interface Propriétés de Transport sélectionnée et un modèle de réacteur poreux dans la fenêtre graphique.

Transport d'espèces chimiques en milieu poreux et fractures

Le logiciel de simulation COMSOL Multiphysics^® contient des fonctionnalités intuitives permettant de définir le transport de matière dans des solutions ou des mélanges dilués par convection, diffusion, dispersion, adsorption et volatilisation d'un nombre arbitraire d'espèces chimiques. Il est facile de les relier aux définitions de la cinétique des réactions réversibles, irréversibles et à l'équilibre en combinant le module Porous Media Flow avec le module Chemical Reaction Engineering. Le module Porous Media Flow vous permet d'étendre cette fonctionnalité aux milieux poreux et aux fractures.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec l'Interface Equation de Brinkman sélectionnée et un modèle de milieu poreux en couleur arc-en-ciel dans la fenêtre graphique.

Ecoulements rapides en milieux poreux

Les équations de Brinkman prennent en compte les écoulements rapides en milieux poreux, le potentiel cinétique résultant de la vitesse du fluide, de la pression et de la gravité étant à l'origine de l'écoulement. L'interface Equations de Brinkman généralise la loi de Darcy pour calculer la dissipation de l'énergie cinétique par le cisaillement visqueux, de façon similaire aux équations de Navier-Stokes.

Vue rapprochée des réglages des paramètres du fluide et de la matrice poreuse et la fenêtre graphique contenant un réservoir de stockage à chaleur latente à lit compacté.

Ecoulement non Darcien

La loi de Darcy et la correction de Brinkman à la loi de Darcy ne s'appliquent que lorsque la vitesse interstitielle dans les pores est suffisamment faible pour que l'approximation de l'écoulement rampant tienne. Pour des vitesses interstitielles plus élevées, une correction non linéaire supplémentaire peut être incluse dans l'équation de la quantité de mouvement. Les interfaces Loi de Darcy et Equations de Brinkman comprennent des options non darciennes pour le modèle de perméabilité, les modèles de Forchheimer et Ergun pour l'interface Equations de Brinkman, et les modèles de Forchheimer, Ergun, Burke-Plummer et Klinkenberg pour les interfaces Loi de Darcy et Ecoulement multiphasique en milieu poreux.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles, le haut d'un modèle rectangulaire orange et jaune, et la partie supérieure gauche d'un diagramme de mérite.

Transfert de chaleur en milieu poreux

Le transfert de chaleur dans les milieux poreux se produit par conduction, convection et dispersion. La dispersion est causée par le parcours tortueux du liquide dans le milieu poreux, qui ne serait pas décrit si seul le terme de convection moyen était pris en compte. Dans de nombreux cas, la phase solide peut être composée de plusieurs matériaux de conductivités différentes et il peut également y avoir un certain nombre de fluides différents. L'interface Transfert de chaleur dans les milieux poreux tient automatiquement compte de ces facteurs, et des modèles sont fournis pour calculer les propriétés de transfert de chaleur effectives.

Pour modéliser le non-équilibre thermique local, vous pouvez utiliser une technologie intégrée qui couple des équations distinctes pour les champs de température du fluide et de la matrice poreuse afin de prendre en compte le transfert de chaleur à l'interface fluide-solide dans les pores.

Une vue rapprochée des paramètres de chaleur et d'humidité avec la section interfaces couplées développée, et un modèle de cadre en bois dans la fenêtre graphique.

Transfert de chaleur et d'humidité

La gestion de la chaleur et de l'humidité dans le papier, le bois et d'autres matériaux poreux est essentielle à la conception d'éléments de construction et d'emballages. L'interface multiphysique Ecoulement de chaleur et d'humidité est utilisée pour simuler le transfert de chaleur et le transport d'humidité lorsque les propriétés du fluide peuvent dépendre de la concentration de vapeur.

En outre, il existe des outils pour analyser la condensation et l'évaporation de l'eau sur les surfaces, ainsi que des fonctionnalités spécialisées pour analyser le stockage de la chaleur et de l'humidité, les effets de la chaleur latente, ainsi que la diffusion et le transport de l'humidité.

Une vue rapprochée du Constructeur de Modèles avec le noeud Flux rampant mis en évidence et des parties de deux modèles d'écoulement rampant et d'écoulement en milieu poreux.

Ecoulement laminaire et rampant

Pour une flexibilité maximale, le module Porous Media Flow permet de simuler l'écoulement dans des milieux libres ainsi que dans des milieux poreux. La modélisation d'écoulements transitoires et stables à des nombres de Reynolds relativement faibles est possible avec les interfaces Ecoulement laminaire et Ecoulement de Stokes. La viscosité d'un fluide peut dépendre de la composition et de la température locales, ou de tout autre champ qui est modélisé en combinaison avec l'écoulement du fluide.

Une vue rapprochée des paramètres des propriétés du fluide et de la matrice avec la section correspondante développée et un tracé 1D dans la fenêtre graphique.

Options avancées pour les écoulements en milieux libres

En combinant le module Porous Media Flow avec le module CFD ou le module Polymer Flow, il est possible d'inclure des fluides non newtoniens, tels que Loi de puissance, Carreau et Bingham. En général, la masse volumique, la viscosité et les sources de quantité de mouvement peuvent être des fonctions arbitraires de la température, de la composition, du taux de cisaillement et de toute autre variable dépendante, ainsi que des dérivées des variables dépendantes.

De plus, avec le module CFD, vous pouvez combiner un écoulement rapide dans un milieu poreux avec un écoulement turbulent libre.

Module Porous Media Flow

Optimisez une multitude de procédés industriels