A Linha de Produtos COMSOL®

A packed-bed latent heat storage tank model with the flow visualized as streamlines.

Modele Transporte de Massa, Momento e Energia em Meios Porosos com o Porous Media Flow Module

Otimize uma Variedade de Processos Industriais

Analise e otimize processos das indústrias farmacêutica, biomédica, alimentícia e outras com o Porous Media Flow Module, um complemento do software COMSOL Multiphysics®. Modele fenômenos de transporte em meios porosos usando a lei de Darcy, inclusive escoamentos em meios porosos com saturação variável. Os modelos mais avançados incluem escoamentos rápidos com as equações de Brinkman, transporte multifásico, escoamentos em fraturas ou escoamentos não-Darcianos. Para modelos mais realistas e precisos, os recursos multifísicos incluem escoamentos não isotérmicos em meios porosos, propriedades efetivas para sistemas multicomponentes, poroelasticidade e transporte de umidade e espécies químicas.

O que Você Pode Modelar com o Porous Media Flow Module

Engenheiros agrônomos, químicos, civis e nucleares, assim como cientistas, precisam simular diferentes tipos de processos em meios porosos. Por isso, o Porous Media Flow Module oferece um conjunto abrangente de ferramentas de modelagem nessa área. Estas ferramentas estão empacotadas em interfaces físicas, que configuram e resolvem automaticamente as equações específicas para o tipo de física que você está modelando.

Escoamento Lento em Meios Porosos

A lei de Darcy descreve o movimento de fluidos através de interstícios de um meio poroso totalmente saturado que é impulsionado, principalmente, por um gradiente de pressão, desprezando o transporte de momento devido às tensões viscosas de cisalhamento. A interface Darcy’s Law calcula a pressão e o campo de velocidade é determinado pelo gradiente de pressão, viscosidade do fluido e permeabilidade.

Um bloco de gelo branco é modelado dentro de um meio poroso e o processo de derretimento é visualizado como linhas de corrente com setas e isosuperfícies em um gradiente de pêssego-branco-verde-petróleo. Processo de derretimento de gelo em meio poroso

Escoamento Rápido em Meios Porosos

As equações de Brinkman resolvem fluidos em movimento rápido em meios porosos, considerando o potencial cinético da velocidade do fluido, pressão e a gravidade atuando sobre o fluido. A interface Brinkman Equations generaliza a lei de Darcy para calcular a dissipação da energia cinética pelo cisalhamento viscoso, de forma semelhante às equações de Navier-Stokes.

Escoamento em Meio Poroso com Saturação Variável

A equação de Richards descreve o movimento da água em meios porosos parcialmente saturados, considerando as mudanças nas propriedades hidráulicas à medida que os fluidos se movem através do meio poroso, enchendo alguns poros e drenando outros. A interface Richards 'Equation inclui modelos predefinidos de retenção de fluidos para seleção, como de van Genuchten ou Brooks – Corey. Tal como a interface Darcy's Law, apenas a pressão é calculada. A equação de Richards é não linear devido a variação das propriedades hidráulicas com base na saturação, o que torna sua solução desafiadora sem um software computacional.

Escoamento em Fratura

As fraturas dentro de um meio poroso afetam as propriedades do escoamento através da matriz porosa. A interface Fracture Flow resolve a pressão em contornos internos (2D) dentro de uma matriz 3D, com base em uma espessura definida pelo usuário. A pressão computada é automaticamente acoplada à física que descreve o escoamento em meio poroso da matriz circundante, uma aproximação que economiza tempo e recursos computacionais empregados na geração de malhas em fraturas.

Dois modelos de um filtro de água de cerâmica lado a lado. Um está intacto e o outro apresenta uma fratura ilustrada em magenta. Filtros de água em cerâmica

Transporte de Calor e Umidade

O gerenciamento térmico e de umidade do papel, madeira e outros materiais porosos, é vital para o projeto de componentes de construção e embalagens de bens de consumo. A interface multifísica Laminar Heat and Moisture Flow é usada para simular a transferência de calor e o transporte de umidade, onde as propriedades do fluido podem depender da concentração de vapor. Além disso, existem ferramentas para analisar a condensação e a evaporação da água nas superfícies, além de recursos especializados para analisar o armazenamento de calor e umidade, efeitos do calor latente, bem como difusão e transporte de umidade.

Transferência de Calor em Meios Porosos

A transferência de calor em meios porosos ocorre por condução, convecção e dispersão. A dispersão é causada pelo caminho tortuoso do líquido no meio poroso, que não seria descrito se apenas o termo convectivo médio fosse levado em consideração. Em muitos casos, a fase sólida pode ser composta de vários materiais com condutividades diferentes e também podem haver vários fluidos diferentes. A interface Heat Transfer in Porous Media considera automaticamente esses fatores, e regras de mistura, são fornecidas para o cálculo das propriedades efetivas de transferência de calor.

Para modelar o não-equilíbrio térmico local, você pode usar uma interface multifísica predefinida (com o mesmo nome), que implementa equações separadas para os campos de temperatura da matriz porosa e do fluido com um acoplamento para levar em consideração a transferência de calor na interface fluido-sólido nos poros.

Em cinza, o modelo de um tanque de armazenamento de calor latente com  leito recheado cheio de parafina. A fase sólida é mostrada em azul e a fase líquida mostrada em amarelo. Escoamento através de um tanque de armazenamento de calor latente com leito recheado
A interface gráfica do COMSOL Multiphysics mostrando o Model Builder, as configurações do recurso Surface e um modelo de dissipador de calor por microcanal poroso na Janela Graphics. Modelo de dissipador de calor com microcanal poroso mostrado na interface gráfica do COMSOL Multiphysics

Escoamento Multifásico em Meios Porosos

A funcionalidade para o transporte de fases pode ser combinada com a interface Darcy's Law para simular escoamento multifásico em meios porosos com um número arbitrário de fases. Os usuários podem especificar propriedades do meio poroso, como permeabilidades relativas e pressões capilares entre as fases. Essas propriedades são passadas entre fases com um acoplamento multifísico que conecta a interface Phase Transport in Porous Media à interface Darcy's Law.

A interface gráfica do COMSOL Multiphysics com o Model Builder, a janela Settings para o 2D Plot Group aberto e um modelo de papel absorvente na janela Graphics. Modelo de papel absorvente mostrado na interface gaffica do COMSOL Multiphysics

Escoamento Não Darciano

A lei de Darcy e a correção de Brinkman à lei de Darcy só se aplicam quando a velocidade intersticial nos poros é baixa o suficiente para que a aproximação do escoamento de Stokes se mantenha. Para velocidades intersticiais mais altas, uma correção não linear adicional pode ser incluída na equação do momento. As interfaces Darcy's Law e Brinkman Equations incluem opções não Darcianas para o modelo de permeabilidade. Os modelos de Forchheimer e Ergun estão disponíveis na interface Brinkman Equations e os modelos de Forchheimer, Ergun, Burke – Plummer e Klinkenberg nas interfaces Darcy's Law e Multiphase Flow in Porous Mídia.

Poroelasticidade

A compactação e a expansão podem ser modelados com uma interface física dedicada à poroelasticidade, que combina uma formulação transitória da lei de Darcy com um modelo linear de material elástico da matriz porosa. O escoamento de fluido afeta a compressibilidade do meio poroso, enquanto as mudanças nas deformações volumétricas afetam o transporte de momento, material e calor. Para considerar esses efeitos, a interface multifísica Poroelasticity inclui uma expressão do tensor de tensões em função da deformação volumétrica e do coeficiente de Biot-Willis.

Escoamento Laminar e de Stokes

Para máxima flexibilidade, o Porous Media Flow Module inclui a capacidade de simular escoamentos em meio livre e meio poroso. A modelagem de escoamentos transientes e em regime permanente com números de Reynolds relativamente baixos é possível com as interfaces Laminar Flow e Creeping Flow. A viscosidade de um fluido pode depender da composição e da temperatura locais, ou de qualquer outro campo que seja modelado simultaneamente ao escoamento do fluido.

Quando combinado com o CFD Module, é possível incluir fluidos não newtonianos, como Power Law, Carreau e Bingham. Em geral, densidade, viscosidade e fontes de momento podem ser funções arbitrárias da temperatura, composição, taxa de cisalhamento e qualquer outra variável dependente, bem como de valores derivados das variáveis dependentes.

A interface gráfica do COMSOL Multiphysics mostrando o Model Builder, as configurações da interface Creeping Flow e os modelos da célula unitária da estrutura porosa  e do  reator com leito recheado na janela Graphics. Modelos da célula unitária e reator com leito recheado

Transporte de Espécies Químicas em Meios Porosos e Fraturas

O software de simulação COMSOL Multiphysics® contém ferramentas intuitivas para definição do transporte de material, para um número arbitrário de espécies químicas, em soluções diluídas ou misturas, por convecção, difusão, adsorção e volatilização. Essas são facilmente conectadas a definições das cinéticas de reações reversíveis, irreversíveis e de equilíbrio. Com o Porous Media Flow Module, você pode estender essa funcionalidade para meios porosos e fraturas.

Toda empresa possui uma necessidade de simulação diferente. Para avaliar se o software COMSOL Multiphysics® atenderá ou não aos seus requisitos, entre em contato conosco. Ao falar com um de nossos representantes de vendas, você receberá recomendações personalizadas e exemplos totalmente documentados para ajudá-lo a aproveitar ao máximo sua avaliação e orientá-lo a escolher a melhor opção de licença para atender às suas necessidades.

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