基于三重周期极小曲面（TPMS）多孔几何中的流动表征：第一部分——流体力学
流体动力学
2022-05-10 v1
摘要
多孔介质系统中流动与传热的建模一直是一项挑战，用于宏观分析的扩展达西流动输运模型以及平衡与非平衡能量传热模型，其局限性受制于多孔几何。本研究给出了不可压缩黏性流体受迫对流流经填充有四类由三重周期极小曲面（Triply-Periodic-Minimal-Surface, 或 TPMS）模型构建的多孔几何通道的情况。创建了具有相同孔隙率的四种 TPMS 晶格形状，即 Diamond、I-WP、Primitive 与 Gyroid，并为每种多孔几何进一步生成三类不同的多孔介质，以研究形状-曲折度、微孔隙率与孔径对渗透率及惯性阻力因子的影响。对前两类多孔介质采用孔隙尺度直接数值模拟方法，求解 Navier-Stokes 方程。在特定微孔隙率被定量引入固体区域处求解 Darcy-Forchheimer-Brinkman 模型，而对第三类多孔介质的流体区域求解 Navier-Stokes 方程。结果显示，对于 Primitive 晶格（类型 1），达西流动区域的有效性非常窄，直至 Re ~ 4，而对于 Diamond 晶格（类型 2），其延伸至 Re ~ 20。对于 Re > 20，任何晶格类型的达西区域均不成立。对于较低孔隙率（类型 1，{\epsilon} = 0.32），惯性阻力在 I-WP 晶格中最小，在 Gyroid 晶格中最大；而对于较高孔隙率（类型 2，{\epsilon} ~ 1），Primitive 晶格的惯性阻力最小，I-WP 晶格的惯性阻力最大。
引用
@article{arxiv.2205.03591,
title = {Flow Characterization in Triply-Periodic-Minimal-Surface (TPMS) based Porous Geometries: Part 1 -- Hydrodynamics},
author = {Surendra Singh Rathore and Balkrishna Mehta and Pradeep Kumar and Mohammad Asfer},
journal= {arXiv preprint arXiv:2205.03591},
year = {2022}
}