Моделирование трехмерной структуры высокопористых ячеистых материалов и анализ качества модели на примере расчета перепада давления

О.В. Соловьева¹, С.А. Соловьев^1,2, О.С. Попкова¹

¹Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, 420066, Россия

²Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия

Полный текст PDF

Для цитирования: Соловьева О.В., Соловьев С.А., Попкова О.С. Моделирование трехмерной структуры высокопористых ячеистых материалов и анализ качества модели на примере расчета перепада давления // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.- матем. науки. – 2018. – Т. 160, кн. 4. – С. 681–694.

For citation: Soloveva O.V., Solovev S.A., Popkova O.S. Modeling of the three-dimensional structure of open cell foam and analysis of the model quality using the example of pressure drop calculation. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki, 2018, vol. 160, no. 4, pp. 681–694. (In Russian)

Аннотация

Взаимозависимые перегородки, расположенные в трехмерных пористых структурах, создают проблему понимания сущности течения жидкости, которое существенно отличается от течения в традиционных пористых средах. Строение высокопористой ячеистой среды требует использования различных законов течения (Дарси, Форхгеймера либо непосредственного решения уравнений Навье–Стокса, поскольку заранее не известно значение проницаемости среды). Целью настоящей работы являлось определение влияния сглаживания в высокопористой ячеистой структуре на сопротивление среды. В качестве характеристики сопротивления рассмотрен перепад давления для заданного расхода газа. Основными параметрами пористой среды являются пористость, диаметры ячеек и волокон, поэтому существенным является определение параметра, вносящего наибольший вклад в изменение перепада давления. Компьютерная модель высокопористой ячеистой упаковки среды представлена упорядоченным набором пересекающихся сфер. В результате гидродинамического расчета, проведенного с использованием программного комплекса ANSYS Fluent (версия 19.0), был определен перепад давления, значение которого сравнивалось с экспериментальными данными других авторов. В ходе исследований было обнаружено, что модель пористой структуры с применением автоматического сглаживания всех граней, которое проводится с помощью стандартной процедуры программы AutoCAD, по сравнению с моделью со сглаживанием, проведенным вручную, а также с моделью без сглаживания обеспечивает наибольший перепад давления при фиксированном значении пористости среды. Таким образом, аппроксимация элементарной пористой ячейки существенно искажает поле течения, что является нежелательным при детальном моделировании высокопористого ячеистого материала. Дополнительно были проведены расчеты перепада давления при попеременной фиксации параметров – пористости, диаметра ячейки и диаметра волокна среды. Расчеты показали, что определяющим для гидродинамики является диаметр волокна пористой структуры.

Ключевые слова: трехмерная модель, пористость, диаметр ячейки, диаметр волокна, перепад давления

Благодарности. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Республики Татарстан в рамках научного проекта № 18-41-160005.

Литература

1. Garrido G.I., Patcas F.C., Lang S., Kraushaar-Czarnetzki B. Mass transfer and pressure drop in ceramic foams: A description for different pore sizes and porosities // Chem. Eng. Sci. – 2008. – V. 63, No 21. – P. 5202–5217. – doi: 10.1016/j.ces.2008.06.015.
2. Della Torre A., Montenegro G., Tabor G.R., Wears M.L. CFD characterization of flow regimes inside open cell foam substrates // Int. J. Heat Fluid Flow. – 2014. – V. 50. – P. 72–82. – doi: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2014.05.005.
3. Storm J., Abendroth M., Emmel M., Liedke T., Ballaschk U., Voigt C., Kuna M. Geometrical modelling of foam structures using implicit functions // Int. J. Solids Struct. – 2013. – V. 50, No 3–4. – P. 548–555. – doi: 10.1016/j.ijsolstr.2012.10.026.
4. Della Torre A., Lucci F., Montenegro G., Onorati A., Eggenschwiler P.D., Tronconi E., Groppi G. CFD modeling of catalytic reactions in open-cell foam substrates // Comput. Chem. Eng. – 2016. – V. 92. – P. 55–63. – doi: 10.1016/j.compchemeng.2016.04.031.
5. Mitrichev I.I., Koltsova E.M., Zhena A.V. Computer simulation of gasodynamic conditions in channels of open cell foam // Fundam. Res. – 2012. – No 11, Pt. 2. – P. 440–446.
6. Hellmann A., Pitz M., Schmidt K., Haller F., Ripperger S. Characterization of an openpored nickel foam with respect to aerosol filtration efficiency by means of measurement and simulation // Aerosol Sci. Technol. – 2015. – V. 49, No 1. – P. 16–23. – doi: 10.1080/02786826.2014.990555.
7. Wake D., Brown R.C. Filtration of monodisperse aerosols and polydisperse dusts by porous foam filters // J. Aersosol Sci. – 1991. – V. 22, No 6. – P. 693–706. – doi: 10.1016/0021-8502(91)90063-N.
8. Horneber T., Rauh C., Delgado A. Numerical simulations of fluid dynamics in carrier structures for catalysis: characterization and need for optimization // Chem. Eng. Sci. – 2014. – V. 117. – P. 229–238. – doi: 10.1016/j.ces.2014.06.036.
9. Bai M., Chung J.N. Analytical and numerical prediction of heat transfer and pressure drop in open-cell metal foams // Int. J. Therm. Sci. – 2011. – V. 50, No 6. – P. 869–880. – doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2011.01.007.
10. Bianchi E., Groppi G., Schwieger W., Tronconi E., Freund H. Numerical simulation of heat transfer in the near-wall region of tubular reactors packed with metal open-cell foams // Chem. Eng. J. – 2015. – V. 264. – P. 268–279. – doi: 10.1016/j.cej.2014.11.055.
11. Lacroix M., Nguyen P., Schweich D., Huu C.Ph., Savin-Poncet S., Edouard D. Pressure drop measurements and modeling on SiC foams // Chem. Eng. Sci. – 2007. – V. 62, No 12. – P. 3259–3267. – doi: 10.1016/j.ces.2007.03.027.
12. de Carvalho T.P., Morvan H.P., Hargreaves D.M., Oun H., Kennedy A. Pore-scale numerical investigation of pressure drop behaviour across open-cell metal foams // Transp. Porous Media. – 2017. – V. 117, No 2. – P. 311–336. – doi: 10.1007/s11242-017-0835-y.
13. Zafari M., Panjepour M., Emami M.D., Meratian M. Microtomography-based numerical simulation of fluid flow and heat transfer in open cell metal foams // Appl. Therm. Eng. – 2015. – V. 80. – P. 347–354. – doi: 10.1016/j.applthermaleng.2015.01.045.
14. Hu X., Wan H., Patnaik S.S. Numerical modeling of heat transfer in open-cell micro-foam with phase change material // Int. J. Heat Mass Transfer. – 2015. – V. 88. – P. 617–626. – doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.04.044.
15. Belkadi A., Edouard D. DirectCell technique: A very fast and simple method for characteristic lengths estimation in polyurethane open cell foam // Chem. Eng. Proc.: Process Intensif. – 2014. – V. 86. – P. 64–68. – doi: 10.1016/j.cep.2014.10.012.
16. Kumar P., Topin F. Predicting pressure drop in open-cell foams by adopting Forchheimer number // Int. J. Multiphase Flow. – 2017. – V. 94. – P. 123–136. – doi: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2017.04.010.
17. Saw L.H., Ye Y., Yew M.C., Chong W.T., Yew M.K., Ng T.C. Computational fluid dynamics simulation on open cell aluminium foams for Li-ion battery cooling system // Appl. Energy. – 2017. – V. 204. – P. 1489–1499. – doi: 10.1016/j.apenergy.2017.04.022.
18. Arbak A., Dukhan N., Ba˘gcı O., Ozdemir M. Influence of pore density on thermal development in open-cell metal foam // Exp. Therm. Fluid Sci. – 2017. – V. 86. – P. 180–188. – doi: 10.1016/j.expthermflusci.2017.04.012.
19. Yang X.H., Song S.Y., Zhang L.Y., Lu T.J. Pore-scaled analytical modelling of permeability and inertial coefficient for pressure drop prediction of open-cell metallic foams // ASME 2016 5th Int. Conf. on Micro/Nanoscale Heat and Mass Transfer. – Am. Soc. Mech. Eng., 2016. – P. V002T15A001-1–V002T15A001-6. – doi: 10.1115/MNHMT2016-6457.
20. Yang X., Li Y., Zhang L., Jin L., Hu W., Lu T.J. Thermal and fluid transport in microopen-cell metal foams: Effect of node size // J. Heat Transfer. – 2018. – V. 140, No 1. – Art. 014502, P. 1–6. – doi: 10.1115/1.4037394.

Поступила в редакцию

15.06.18

Соловьева Ольга Викторовна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Теоретические основы теплотехники»

Казанский государственный энергетический университет

ул. Красносельская, д. 51, г. Казань, 420066, Россия

E-mail: rara_avis86@mail.ru

Соловьев Сергей Анатольевич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Инженерная кибернетика», старший преподаватель кафедры аэрогидромеханики

Казанский государственный энергетический университет

ул. Красносельская, д. 51, г. Казань, 420066, Россия

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: Sergey.Solovyov@kpfu.ru

Попкова Оксана Сергеевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретические основы теплотехники»

Казанский государственный энергетический университет

ул. Красносельская, д. 51, г. Казань, 420066, Россия

E-mail: oksiniy@mail.ru

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.