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

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.