如何使用comsol®在多孔介质中建模热和水分传输

当环境空气流过多孔介质时，它会带有水分。在此过程中，温度和水分是耦合的：蒸气取决于温度条件，而由于蒸发和凝结引起的潜热效应会改变温度。我们讨论过了以前的博客文章中的空气中的热量和水分传输。让我们解决毛孔中需要考虑的特定运输过程，以及如何使用ComsolMultiphysics®软件在多孔介质中对热和水分传输进行建模。

建模建筑材料中的热量和水分传输

建筑物工程师旨在提高能源绩效和可持续性建造信封。尽管他们的实践是基于过去的经验，但正在不断开发新的材料和建筑技术，这些技术在建筑设计和热管理方面提供了广泛的选择。让我们看看如何建模建筑材料中的热量和水分传输，以帮助降低能源成本并保护建筑物。

可以通过建模热和水分传输来分析建筑信封。

控制水分是必要的，以优化建筑信封的热性能并降低能源成本。绝缘或隔离材料的热性能通常取决于温度和水分含量。因此，耦合的热量和水分模型有助于我们完全分析建筑物组件的热性能。一个例子是石灰二氧化硅砖的热导率对相对湿度的依赖性。

石灰二氧化硅砖的热导率的水分依赖性。

上图显示，对于高相对湿度值，石灰二氧化硅砖的热分离降低了两倍。

此外，我们必须考虑建筑物设计过程中的水分控制，以选择可以降低冷凝风险的建筑组件。热和水分传输的耦合建模使我们能够分析建筑组件中的不同水分变化和现象，例如：

• 初始结构产生的水分干燥
• 由于水分从外面到内部迁移而导致的凝结
• 由于较冷的时期蒸气扩散而导致的间隙凝结积累

让我们考虑在温暖的室内环境和寒冷的室外环境之间进行木制墙壁。蒸气从墙壁从内部的高动力环境扩散到外部的低色环境。这会产生与靠近外部面板的低温值相关的高相对湿度值，而凝结的风险是直接的结果。

木框墙中的相对湿度分布。

凝结会导致霉菌的生长，这直接影响人类健康和建立可持续性。例如，霉菌生长的速度是保存历史建筑物的关键数据。为了防止间隙凝结的风险，通常在内部石膏面板和纤维素隔离板之间增加蒸气屏障是普遍的做法。这样可以降低其最大值的水分值。下图显示了通过木螺柱（红线）和纤维素板（蓝线）（分别有和没有蒸气屏障）（分别为虚线和实线），整个木框壁上的相对湿度分布（蓝线）（蓝线）。

蒸气屏障对木螺柱和纤维素板上木框壁上相对湿度分布的影响。

对于此模型，我们认为建筑材料是特定的不饱和多孔培养基，其中液体和蒸气阶段都存在水分，并且只有某些运输过程是相关的。规范EN 15026标准涉及在建筑材料中考虑的运输水分现象，按照以下理论表示参考。1。

传输方程是由规范确定为标准的毛细管液体传输，由于蒸气压梯度而引起的蒸气扩散和水分储存。

我们通过在传热方程中添加以下通量来建模由于蒸气冷凝引起的潜热效应：

另外，评估热性能的水分依赖性。

查找有关建筑材料中水分传输方程的详细信息传热模块用户指南。

使用传热模块时热和水分传输接口添加一个：

1. 热量和水分耦合节点
2. 建筑材料中的传热界面
3. 建筑材料中的水分传输界面
4. 建筑材料传热功能
5. 建筑材料水分传输的特征
6. 较薄的水分屏障建模蒸气屏障的功能

最后，通过蒸发引起的潜热源被添加到传热方程中建筑材料功能传播热量界面。

选择的模型树和随后的子节点建筑材料中的传热接口，以及设置窗口建筑材料特征。

在不饱和多孔介质中热和水分传输的耦合建模

在不饱和多孔培养基中建模热和水分传输对于分析制药行业的聚合物材料，电缆上的保护层以及食物干燥过程，仅举几个例子。

对于这些应用，现象学模型（例如上面针对建筑材料的一种模型）可能无法使用。但是，通过考虑每个阶段中的热量和水分（固体，液体和气体）以及在不同阶段平均的体积，我们可以得出机械模型。

为了计算水分分布，我们解决了多孔介质中的两相流量问题。解决了两个方程：一个用于蒸气，一个用于液态水。蒸气和液态水之间的耦合通过饱和变量的定义来运行，s_汽+s_液体= 1.考虑有效蒸气扩散率和液体渗透性的定义，考虑了不断变化的水饱和度。

对于快速过程，时间尺度与介质内部液体和气相之间达到平衡所需的时间相当，可以通过以下蒸发通量来定义非平衡配方：

在此定义中，定义为饱和浓度的乘积的平衡蒸气浓度C_坐着和水活动A_w，用于说明多孔培养基结构。实际上，由于毛细管，达到比游离培养基低的浓度达到平衡。

通过让蒸发率k转到无穷大，以等于平衡浓度的蒸气浓度获得平衡公式。

让我们考虑一个食物干燥的过程。一块最初用液态水饱和的马铃薯被放置在要干燥的气流中。在马铃薯内部，蒸气是通过空气中的二进制扩散运输的。我们使用边缘公式来对孔中潮湿的气压梯度引起的流动进行建模。由于与潮湿的空气速度相比，由于液相速度很小，因此由于压力梯度，达西定律用于液态水流。毛细血管流在液体水运输中也考虑在彼此的相对吸引与彼此的相对吸引力之间的差异。

随着时间的推移，该模型的蒸气和液体水分布在以下两个动画中显示。请注意，水只能将马铃薯作为蒸气留下。

液体水的浓度随着时间的流逝。

蒸气被气流运输，如本动画所示：

随着时间的推移，水蒸气浓度。

蒸发导致马铃薯温度的降低。随着时间的流逝，温度分布如下所示。

温度分布随着时间的流逝。

您可以在多孔介质中的传热传热模块中的界面和稀释物种的运输化学反应工程模块中的界面。此过程需要一些步骤，以便将多相流在多孔介质中以及蒸发过程中进行。

在第7-9页的第7-9页上阅读文章“工程完美蓬松的零食”comsol新闻2017了解康奈尔大学研究人员如何使用COMSOL多物理学来建模水稻浮肿。在这个数值挑战性的过程中，液态水的快速蒸发会导致谷物中的气压积聚和相变。

关于在多孔介质中建模热和水分传输的关闭评论

在这篇博客文章中，我们讨论了用于在多孔媒体中建模热量和水分传输的Comsol®软件功能。COMSOL多物理（以及化学反应工程模块和传热模块）为您提供了为大量应用定义相应的现象学和机械模型的工具。根据主要的运输过程，您可以使用预定义的接口或定义自己的模型。

参考

Künzel，H.，1995年。建筑组件中的同时热量和水分传输。使用简单参数的一维计算。博士论文。Fraunhofer建筑物学院。

自己尝试

• 查看此博客文章中特色的教程模型：
  • 木框墙中的凝结
  • 蒸发率较高的多孔介质蒸发