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fluent物质输送和有限速率化学反应


第十三章 物质输送和有限速率化学反应
FLUENT 可以通过求解描述每种组成物质的对流、 扩散和反应源的守恒方程来模拟混合和输运, 可以 模拟多种同时发生的化学反应,反应可以是发生在大量相(容积反应)中,和/或是壁面、微粒的表面。包 括反应或不包括反应的物质输运模拟能力,以及当使用这一模型时的输入将在本章中叙述。 注意你可能还希望使用混合物成分的方法(对非预混系统,在

14 章介绍) 、反应进程变量的方法(对 预混系统,在 15 章介绍) ,或部分预混方法(在 16 章介绍)来模拟你的反应系统。见 12 章 FLUENT 中 反应模拟方法的概述。 本章中的分为以下章节: ? 13.1 容积反应 ? 13.2 壁面表面反应和化学蒸汽沉积 ? 13.3 微粒表面反应 ? 13.4 无反应物质输运

13.1 容积反应
与容积反应有关的物质输运和有限速率化学反应方面的信息在以下小节中给出: ? 13.1.1 理论 ? 13.1.2 模拟物质输运和反应的用户输入概述 ? 13.1.3 使能物质输运和反应,并选择混合物材料 ? 13.1.4 混合物和构成物质的属性定义 ? 13.1.5 定义物质的边界条件 ? 13.1.6 定义化学物质的其他源项 ? 13.1.7 化学混合和有限速率化学反应的求解过程 ? 13.1.8 物质计算的后处理 ? 13.1.9 从 CHEMKIN 导入一个化学反应机理

13.1.1 理论 物质输运方程 当你选择解化学物质的守恒方程时,FLUENT 通过第 i 种物质的对流扩散方程预估每种物质的质量分 数,Yi。守恒方程采用以下的通用形式:

? ? ? ??Yi ? ? ? ? ??v Yi ? ? ?? J i ? Ri ? Si ?t

(13.1-1)

其中 Ri 是化学反应的净产生速率(在本节稍后解释) Si 为离散相及用户定义的源项导致的额外产生 , 速率。在系统中出现 N 种物质时,需要解 N-1 个这种形式的方程。由于质量分数的和必须为 1,第 N 种物 质的分数通过 1 减去 N-1 个已解得的质量分数得到。为了使数值误差最小, N 种物质必须选择质量分数 第 最大的物质,比如氧化物是空气时的 N2。 层流中的质量扩散 在方程 13.1-1 中, Ji 是物质 i 的扩散通量,由浓度梯度产生。缺省时,FLUENT 使用稀释近似,这样 扩散通量可记为:

Ji ? ? ?Di , m?Yi

(13.1.2)

这里 Di , m 是混合物中第 i 种物质的扩散系数。 对于确定的层流流动,稀释近似可能是不能接受的,需要完整的多组分扩散。在这些例子中,可以解 Maxwell-Stefan 方程,详细情况见 7.7.2 节。 湍流中的质量扩散 在湍流中,FLUENT 以如下形式计算质量扩散:

? ? ? ? J i ? ?? ?Di , m ? t ??Yi ? Sct ? ? ?
其中 Sct 是湍流施密特数,

(13.1.3)

?t (缺省设置值为 0.7) 。 ?Dt

注意,湍流扩散一般淹没层流扩散,在湍流中指定详细的层流性质是不允许的。 能量方程中的物质输送处理 在许多多组分混合流动中,物质扩散导致了焓的传递。

? n ?? ? ?? hi J i ? ? i ?1 ?
这种扩散对于焓场有重要影响,不能被忽略。特别是,当所有物质的 Lewis 数

Lei ?

k ?c p Di , m

(13.1-4)

远离 1 时,忽略这一项会导致严重的误差。 FLUENT 缺省地包含这一项。在方程 13.1-4 中,k 为热导率。 进口处的扩散 在 FLUENT 的非耦合求解器中,入口的物质净输送量由对流量和扩散量组成,对耦合解算器,只包括 对流部分。对流部分由你指定的物质浓度确定。扩散部分依赖于计算得到的物质浓度场。因此,扩散部分 (从而使净输送量)不预先指定。见 13.1.5 节有关指定入口净输送量的信息。 反应建模的一般有限速率形式 反应速率作为源项在方程 13.1-1 中出现,在 FLUENT 中根据以下三种模型中的一个计算: 层流有限速率模型:忽略湍流脉动的影响,反应速率根据 Arrhenius 公式确定。 涡耗散模型:认为反应速率由湍流控制,因此避开了代价高昂的 Arrhenius 化学动力学计算。 涡耗散概念(EDC)模型:细致的 Arrhenius 化学动力学在湍流火焰中合并。注意详尽的化学动力学 计算代价高昂。 通用有限速率对于范围很广的应用,包括层流或湍流反应系统,预混、非预混、部分预混燃烧系统都 适用。 层流有限速率模型 层流有限速率模型使用 Arrhenius 公式计算化学源项,忽略湍流脉动的影响。这一模型对于层流火焰 是准确的,但在湍流火焰中 Arrhenius 化学动力学的高度非线性,这一模型一般不精确。对于化学反应相

对缓慢、湍流脉动较小的燃烧,如超音速火焰可能是可以接受的。 化学物质 i 的化学反应净源项通过有其参加的 NR 个化学反应的 Arrhenius 反应源的和计算得到。

? Ri ? M w,i ? Ri ,r
i ?1

Nr

? 其中 M w,i 是第 i 种物质的分子量,Ri , r 为第 i 种物质在第 r 个反应中的产生/分解速率。 反应可能发生在
连续相反应的连续相之间,或是在表面沉积的壁面处,或是发生在一种连续相物质的演化中。 考虑以如下形式写出的第 r 个反应:

? ?? i',r M i ????? i'',r M i k
i ?1
b,r

N

N

(13.1-6)

i ?1

其中 N ——系统中化学物质数目;

? i',r ——反应 r 中反应物 i 的化学计量系数; ? i'',r ——反应 r 中生成物 i 的化学计量系数;
M i ——第 i 种物质的符号;

k f ,r ——反应 r 的正向速率常数; k b ,r ——反应 r 的逆向速率常数;
方程 13.1-6 对于可逆和不可逆反应(FLUENT 中缺省为不可逆)都适用。对于不可逆反应,逆向速率 常数 k b , r 简单地被忽略。 方程 13.1-6 中的和是针对系统中的所有物质,但只有作为反应物或生成物出现的物质才有非零的化学 计量系数。因此,不涉及到的物质将从方程中清除。 反应 r 中物质 i 的产生/分解摩尔速度以如下公式给出:
Nr Nr ? ? ? Ri ,r ? ? ? i'',r ? ? i',r ? k f ,r ? C j ,r ? 'j ,r ? k b ,r ? C j ,r ? 'j' ,r ? ? ? j ?1 j ?1 ? ?

?

?

? ?

? ?

(13.1-7)

其中: N r ——反应 r 的化学物质数目;

C j ,r ——反应 r 中每种反应物或生成物 j 的摩尔浓度;

? 'j ,r ——反应 r 中每种反应物或生成物 j 的正向反应速度指数; ? 'j' ,r ——反应 r 中每种反应物或生成物 j 的逆向反应速度指数;

见 13.1.4 节有关输入整体正向反应(不可逆)和单元反应(可逆)的化学计量系数和速率指数方面的 内容。 ? 表示第三体对反应速率的净影响。这一项由下式给出:

其中 ?

j, r

为第 r 个反应中第 j 种物质的第三体影响。在缺省状态,FLUENT 在反应速率计算中不

包括第三体影响。但是当你有它们的数据时,你可以选择包括第三体影响。 反应 r 的前向速率常数 k f ,r 通过 Arrhenius 公式计算:

其中, Ar ——指数前因子(恒定单位) ; ; ? r ——温度指数(无量纲)

Er ——反应活化能( J / kmol );
R ——气体常数( J / kmol ? K )
你(或者数据库)可以在 FLUENT 的问题定义中提供? i?,r ,? i??r ,? ? ,r ,? ??,r , ? r , Ar , Er ,并可选择 , j j 提供 ?
j, r



如果反应是可逆的,逆向反应常数 k b , r 可以根据以下关系从正向反应常数计算:

其中 K r 为平衡常数,从下式计算:

其中 patm 表示大气压力(101325Pa) 。指数函数中的项表示 Gibbs 自由能的变化,其各部分按 下式计算:

其中 S i0 和 hi0 是标准状态的熵和标准状态的焓(生成热) 。这些值在 FLUENT 中作为混合物材料 的属性指定。 压力独立反应 FLUENT 可以用以下三种方法之一来表示压力独立反应(或压力下降)反应的速率表达式。 “压力下 降”反应是发生在 Arrhenius 高压和低压限制之间的反应,因而不仅仅依赖于温度。 有三种方法表示在“fall-off”区域的速率表达式,最简单的是 Lindemann[140]形式。还有其它良种相 关的方法,Troe 方法[77]和 SRI 方法[230],它们提供了更精确的”fall-off”区域表达形式。 Arrhenius 速率参数对于高压和低压限制都是需要的。两个限制的速率系数融合以产生光滑的压力独 立表达式。在 Arrhenius 形式中,高压限制 k 和低压限制 k low 的参数如下:

在任意压力下,净反应速率常数为:

其中 p r 定义为:

?M ? 为溶液气体的浓度,可以包括第三体效率。如果方程 13.1-16 函数 F 为 1,则是 Lindemann 形式。
FLUENT 提供了两种其他形式来表述 F,称为 Troe 方法和 SRI 方法。 在 Troe 方法中,F 按下式给出:

其中,

参数 ? , T3 , T2 , T1 做为输入确定。 在 SRI 方法中,缝合函数 F 近似为

除了低压限制表达式中的三个 Arrhenius 参数以外,你还需要提供 F 表达式中的 a, b, c, d, e。 ! 化学动力学机理中有很高的非线性并且形成了一组强烈耦合的方程。 求解过程指导见 13.1.7 节。 如果你有一个 CHEMKIN 形式的化学反应机理[112],你可以将这一机理导入 FLUENT,如 13.1.9 节。 涡耗散模型 大部分燃料快速燃烧。整体反应速率由湍流混合控制。在非预混火焰中,湍流缓慢地通过对流/ 混合燃料和氧化剂进入反应区,在反应区它们快速地燃烧。在预混火焰中,湍流对流/混合冷的反应物 和热的生成物进入反应区,在反应区迅速地发生反应。在这些情况下,燃烧称为混合限制的,复杂, 常常是未知的化学反应动力学速率可以安全地忽略掉。 FLUENT 提供了湍流-化学反应相互作用模型,基于 Magnussen 和 Hjertager[149]的工作,称为涡 耗散模型。

反应 r 中物质 i 的产生速率 Ri ,r 由下面两个表达式中较小的一个给出:

在方程 13.1-25 和 13.1-26 中,化学反应速率由大涡混合时间尺度 k / ? 控制,如同 Splading[227] 的涡破碎模型一样。只要湍流出现( k / ? ? 0 ) ,燃烧即可进行,不需要点火源来启动燃烧。这通常对 于非预混火焰是可接受的,但在预混火焰中,反应物一进入计算区域(火焰稳定器上游)就开始燃烧。 为了修正这一点,FLUENT 提供了有限速率/涡耗散模型,其中 Arrhenius(方程 13.1-7)和涡耗散(方 程 13.1-25 和 13.1-26)反应速率都进行计算。净反应速率取两个速率中较小的。实际上,Arrhenius 反应 速率作为一种动力学开关,阻止反应在火焰稳定器之前发生。一旦火焰被点燃,涡耗散速率通常会小 于 Arrhenius 反应速率,并且反应是混合限制的。 !尽管 FLUENT 允许采用涡耗散模型和有限速率/涡耗散模型的多步反应机理(反应数>2) ,但可 能会产生不正确的结果。原因是多步反应机理基于 Arrhenius 速率,每个反应的都不一样。在涡耗散模 型中,每个反应都有同样的湍流速率,因而模型只能用于单步(反应物—产物)或是双步(反应物—

中间产物,中间产物—产物)整体反应。模型不能预测化学动力学控制的物质,如活性物质。为合并 湍流流动中的多步化学动力学机理,使用 EDC 模型(下面介绍) 。 !涡耗散模型需要产物来启动反应(见方程 13.1-26) 。当你初始化求解的时候,FLUENT 设置产 物的质量比率为 0.01,通常足够启动反应。但是,如果你首先聚合一个混合解,其中所有的产物质量 比率都为 0,你可能必须在反应区域中补入产物以启动反应。详细内容见 13.1.7 节。 LES 的涡耗散模型 当使用 LES 湍流模型时,湍流混合速率(方程 13.1-25 和 13.1-26 中的 ? / k )被亚网格尺度混合 速率替代。计算为:

涡-耗散-概念(EDC)模型 涡-耗散-概念(EDC)模型是涡耗散模型的扩展,以在湍流流动中包括详细的化学反应机理[148]。它假 定反应发生在小的湍流结构中,称为良好尺度。良好尺度的容积比率按下式模拟[80]:

其中*表示良好尺度数量,

C? ——容积比率常数=2.1377;

? ——运动粘度
认为物质在好的结构中,经过一个时间尺度

后开始反应。 其中 C ? 为时间尺度常数,等于 0.4082 在 FLUENT 中, 良好尺度中的燃烧视为发生在定压反应器中, 初始条件取为单元中当前的物质和温度。 反应经过时间尺度 ? 后开始进行,由方程 13.1-7 的 Arrhenius 速率控制,并且用普通微分方程求解器
*

CVODE 进行数值积分[45]。经过一个 ? 时间的反应后物质状态记为 Yi ?
*

物质 i 的守恒方程 13.1-1 中的源项计算公式为:

EDC 模型能在湍流反应流动中合并详细的化学反应机理。但是,典型的机理具有不同的刚性,它们的 数值积分计算开销很大。因而,只有在快速化学反应假定无效的情况下才能使用这一模型,例如在快速熄 灭火焰中缓慢的 CO 烧尽、在选择性非催化还原中的 NO 转化。 推荐使用双精度求解器以避免刚性机理中固有的大指数前因子和活化能产生的舍入误差。见 13.1.7 节 获得使用 EDC 模型求解的指导。

13.1.2 物质输送和反应模拟输入概览 设定涉及物质输送和反应问题的基本步骤如下, 每一步的详细执行过程见 13.1.3-13.1.5 节。 有关设定和 求解的附加信息在 13.1.6-13.1.8 节中提供。 1. 选定物质输送和容积反应,指定混合物材料。见 13.1.3 节(混合物材料概念在下面解释) 。 2. 如果你还要模拟壁面或微粒表面反应,则要打开壁面和/或微粒表面反应。细节见 13.2 和 13.3 节。 3. 检查和/或定义混合物的属性。 (见 13.1.4 节) 。混合物属性包括: ? 混合物中的物质 ? 反应 ? 其他物理属性(如粘度、比热) 4. 检查和/或设置混合物中单个物质的属性(见 13.1.4 节) 5. 设置物质边界条件(见 13.1.5 节) 在很多情况下,当你选择混合物材料是,求解器从材料数据库中得到物质性质、反应等,因而你将不 需要修改任何物理属性。但有一些性质可能在数据库中没有定义。如果有任何性质需要设置时,你将被警 告,这样你可以指定这些性质的适当值。你还可能希望检查数据库中这些性质的值,以确定它们对你的应 用是否正确。修改已存在的混合物材料或从最开始创建一个新的材料的详细内容见 13.1.4 节。混合物材料 的修改包括以下方面: ? 物质的添加和删除 ? 改变化学反应 ? 修改混合物的其他材料属性 ? 修改混合物本构物质的材料属性 如果你在求解一个反应流问题,你常常希望将混合物的比热定义为组成的函数,将每种物质的比热定 义为温度的函数。你还可能对其它一些性质希望也做这样的定义。缺省状态下,将使用恒定的属性,但对 一些物质的性质,在数据库中存在一个温度的分段多项式函数可供你使用。如果你知道更多适合于你的问 题的函数的话,你还可以选择指定一个不同的温度依赖函数。 混合物材料 在 FLUENT 中提出混合物材料的概念以方便物质输送和反应流动的设置。混合物材料可以认为是一组 物质和一列控制它们相互作用的规律。混合物材料带有以下性质: ? 一列本构物质,相对于“流体”物质 ? 一列混合定律,指示如果希望得到组分依赖的属性,混合属性(密度,粘度,比热等)如何从单 个物质得到 ? 如果希望属性不依赖组分,直接指定混合物属性 ? 其它与耽搁物质无关的材料属性(如吸收和辐射系数) ? 一组反应,包括反应类型(有限速率,涡耗散等)和化学计量和速率常数 混合物材料和流体材料都储存在 FLUENT 的材料数据库中。 包括许多常见的混合物材料 (如甲烷-空气, 丙烷-空气) 。通常,在数据库中定义了一步/两步反应机理和大量混合物及其构成物质的属性。当你指定了 你希望使用哪种混合物材料后,适当的混合物材料,流体材料和属性将被装载到求解器中。如果缺少任何 所选材料(或构成流体材料)必须的属性,求解器将通知你需要指定它。另外,你可以选择修改任何预定 义的属性。见 7.1.2 节了解有关 FLUENT 数据库属性数据源的信息。 例如,如果你计划模拟一种甲烷-空气的燃烧,你不需要明确指定反应中涉及的物质和反应本身。只需 要简单地选择甲烷-空气作为使用的混合物材料,相关的物质(CH4,O2,CO2,H2O 和 N2)和反应数据 将从数据库装入求解器。然后你可以检查物质、反应和其它属性并定义其它任何缺少的属性,和/或修改任

何你希望使用不同值或函数的属性。通常你希望定义一个与组分、温度相关的比热,还可能希望将其它属 性定义为温度和/或组分的函数。 混合物材料的使用给你提供了一种灵活性,可以使用大量预定义混合物中的一种,修改这些混合物, 或是创建你自己的混合物材料。自定义混合物材料在 Materials 面板中进行,在 13.1.4 节中讲述。 13.1.3 选定物质输送和反应,并选择混合物材料 物质输送和容积反应的问题设置总物质模型(Species Model)面板开始(图 13.1.1) 。

1. 在 Model 下,选择 Species Transport. 2. 在 Reaction 下,选择 Volumetric reactions 3. 在 Mixture Properties 下的 Mixture Material 下拉列表中选择在你的问题中希望使用的混 合物材料 下拉列表中将包括所有在当前数据库中定义的混合物。为检查一种混合物材料的属性,选择它,并点 击 View…按纽。如果你所希望使用的混合物不在列表中,选择混合物模板(mixture-template)材料,并 参阅 13.1.4 节了解设置你自己的混合物属性的详细内容。如果有一种混合物材料和你你所希望使用的混合 物相似,可以选择这一材料并参阅 13.1.4 节修改已存在材料性质的详细信息。 当选择 Mixture Material 时,混合物中的 Number of Volumetric Species 将在面板中显示,表达你的信 息。 !注意如果你在已经选定物质输送后,重新打开 Species Model 面板时,只有你的案例中可得到的混合物 材料才会显示在列表中。你可以通过从数据库中拷贝在你的案例中增加更多混合物材料,如 7.1.2 节所述, 或是创建一个新的混合物,如 7.1.2 节和 13.1.4 节所述。 正如在 13.1.2 节中提到的,物质输送的模拟参数和反应(如果有关)将自动从数据库中装入。如果缺 少任何信息,当你点击 Species Model 面板中的 OK 按纽后将被告知缺少什么。如果你希望检查或修改混

合物材料的任何属性,你将使用 Materials 面板,如 13.1.4 节所述。 4. 选择湍流-化学反应相互作用模型,可以使用四种模型: 层流有限速率:只计算 Arrhenius 速率(见方程 13.1-7) ,并忽略湍流-化学反应相互作用。 涡耗散模型(针对湍流流动) 只计算混合速率(方程 13.1-25 和方程 13.1-26) : 。 有限速率/涡耗散模型(针对湍流流动) :计算 Arrhenius 速率和混合速率,并使用其中较小的一个。 EDC 模型(湍流流动) :使用详细的化学反应机理模拟湍流-化学反应相互作用(见方程 13.1-25 和 13.1-26) 。 5. 如果你选择 EDC 模型,你可以选择修改容积比率常数和时间尺度常数(方程 13.1-28 中的 C ? 和 方程 13.1-29 中的 C ? ,尽管通常推荐缺省值。此外,为减少化学反应计算的开销,你可以增加每次化学反 应更新的流动迭代(Flow Iteration Per Chemistry Update)次数。缺省时,FLUENT 每十次流动迭代更新 化学反应一次。 6. (可选)如果你希望模拟完整的多组分扩散或热扩散,打开完整多组分扩散或热扩散 Full Multicomponent Diffusion 或 Thermal Diffusion 选项。

13.1.4 定义混合物的属性和构成物质 如 13.1.2 节所讨论的,如果你使用来自数据库的混合物材料,大部分混合物和物质属性已经定义了。 你可以跟随这一节的过程检查当前的属性、修改某些属性或是设定一个你从头开始定义的全新的混合物材 料的所有属性。 记住你将需要定义混合物材料和其构成物质的属性。由于物质属性输入可能依赖于你定义混合物属性 的方法,在设定构成物质的属性之前定义混合物属性非常重要。建议按照如下的属性输入顺序: 1. 定义混合物物质和反应,定义混合物物理属性。记住在设定混合物材料属性时点击 Change/Create 按纽。 2. 定义混合物中物质的物理属性。记住在设定了每种物质的属性后点击 Change/Create 按纽。 所有这些步骤都在 Materials 面板中进行,在本节中将详细叙述。

定义混合物中的物质 如果你使用数据库中的混合物材料,混合物中的物质已经为你定义了。如果你创建你自己的材料或是 修改已存在材料中的物质,你将需要自己定义它们。 在 Materials 面板中(图 13.1.2) ,检查材料类型 Material Type 是否已经设置为混合物,并且你的混合 物是否已经在混合物材料列表 Mixture Materials list 中选定。 点击 Mixture Species 右边的 Edit…按纽打开 Species 面板(图 13.1.3) 。 Species 面板概览 在 Species 面板中,已选物质 Selected Species 列表显示所有混合物中的流体相物质。如果你模拟壁面 或微粒表面反应, 已选物质 Selected Species 列表将显示所有混合物中的表面物质。 表面物质是那些从壁面 边界或是离散相微粒(如 Si(s))产生或散发出来的,以及在流体相物质中不存在的物质。表面物质和壁面反 应将在 13.2 节中叙述,微粒表面反应的有关内容见 13.3 节。 !已选物质 Selected Species 列表中物质的顺序非常重要。FLUENT 认为列表中最后的物质是大量的物 质。因此,当你从混合物材料中增加或是删除物质时,必须小心将最丰富(按质量)的物质作为最后一个 物质。 可获得的物质 Available Material 列表显示可获得,但不在混合物中的材料。通常你可以在列表中看到 空气 air,因为缺省时,空气通常是可获得的。

在混合物中增加物质 如果你从头创建了一个混合物,或者从一种已存在的混合物开始并增加一些缺少的物质,你首先需要 从数据库中导入希望的物质(或是创建它们,如果它们不在数据库中出现的话) ,以便在求解器中可以得 到,增加物质的过程在下面列出。 (在开始前你需要关闭 Species 面板,因为它是一个模式面板,不允许在 它打开的时候做别的事) 1. 在 Materials 面板中,点击 Datebase…按纽以打开 Database Materials 面板,并拷贝希望的物

质,如 7.1.2 节所述。记住混合物的构成物质是流体材料,因而你需要在 Database Materials 面板中选择 Fulid Material Type 来看到正确的选择列表。 注意可获得的固体物质 (对表面反应) 同样也在流体列表中。 ! 如果你在数据库中没有见到你搜寻的物质,可以创建对这种物质创建一个新的流体材料,依造 7.1.2 节中的指导,然后继续以下的第二步。 2. 再次打开上面提到的 Species 面板。 你将看到你从数据库拷贝 (或创建) 的流体材料在 Available Materials 列表中列出。 3. 为了在混合物中增加一种物质,在 Available Materials 列表中选择它,并点击 Selected Species 列表下面(或是 Selected Surface Species 列表下面,以定义一种表面物质)的 Add 按纽。这种 物质将从 Available Materials 列表移动到 Selected Species(或 Selected Surface Species)列表的末 尾。 4. 对所有希望的物质重复上述步骤。结束后点击 OK 按纽。 ! 增加一种物质到列表中将改变物质的顺序。你必须确保列表中的最后一个物质是大量的物质,并 且你需要检查你以前所设定的所有边界条件,欠松弛因子或其它求解参数,如详细叙述的那样。 在混合物中去除物质 为从混合物中去除一种物质,只需要简单地在 Selected Species 列表(或是 Selected Surface Species 列 表)中选定它,并点击列表下的 Remove 按纽。这种物质将从列表中去除并增加到 Available Materials 列表 中。 ! 去除列表中的一种物质将改变物质的顺序。你必须确保列表中的最后一个物质是大量的物质,并 且你需要检查你以前所设定的所有边界条件,欠松弛因子或其它求解参数,如详细叙述的那样。 重排物质 如果你发现 Selected Species 列表中最后一种物质不是最丰富的物质 (应该是) 你需要重排物质以得到 , 正确的顺序。 1. 将最大量的物质从 Selected Species 列表中去除。它将出现在 Available Materials 列表中。 2. 再次增添这种物质,它将自动放在列表的末尾。 物质的命名和顺序 如上面讨论的,你必须在增加或去除物质时保持最丰富的物质作为 Selected Species 列表中的最后一种 物质。在增加或去除物质时还需要知道的一些考虑事项在这里给出。 一种物质有三个特征在供求解器识别:名字,化学分子式和在 Species 面板中物质列表中的位置。改变 这些特征将会产生以下效果: ? 你可以改变一种物质的名字(使用 Materials 面板,如 7.1.2 节所述) ,而不产生任何影响。 ? 你不能改变一种物质的给定的化学分子式。 ? 如果你增加或去除物质,将改变物质列表的顺序。这时,所有的边界条件,求解器参数和物质的 求解数据将被从设为缺省值。 (其它流动变量的求解数据,边界条件,求解器参数将不受影响)因 此,如果你增加或去除物质,你需要注意这一新定义问题的物质边界条件和求解参数。另外,你 必须认识到基于原来物质顺序给出的物质浓度或是存储在数据文件中的浓度将会与新定义的问题 不匹配。你可以使用数据文件作为初始猜测值,但你必须知道数据文件中的物质浓度将可能对新 定义的模型提供一种不好的初始猜测。 定义反应 如果你的 FLUENT 模型中涉及化学反应,你可以接着定义参与的已定义物质的反应。这只有在你从头 开始创建一种混合物、修改了物质或是出于某些其他原因希望重定义反应时才是必须的。

在 Materials 面板的 Reaction 下拉列表中显示适当的反应机理, 依赖于你在 Species Model 面板中选择 的湍流-化学反应相互作用模型(见 13.1.3 节) 。如果你使用层流有限速率或 EDC 模型,反应机理将是有限 速率的,如果你使用涡耗散模型,反应机理将是涡耗散的;如果使用有限速率/涡耗散模型,反应机理将是 有限速率/涡耗散的。 反应定义的输入 为定义反应,点击 Reaction 右侧的 Edit…按纽。 将打开 Reaction 面板(图 13.1.4) 。 定义反应的步骤如下: 1. 在 Total Number of Reaction 区域中设定反应数目(容积反应,壁面反应和微粒表面反应) (使 用箭头改变数值,或是键入值并按回车键。 注意如果你的模型包括离散相的燃烧微粒,只有在你计划使用表面燃烧的多表面反应模型时,才必须 在反应数目中包括部分表面反应(s) (如碳的燃烧,多样碳粒氧化)

设定你希望定义的反应的 Reaction ID 2. 如果是流体相反应,保持缺省选项 Volumetric 作为反应类型。如果是壁面反应(在 13.2 节中 描述)或者颗粒表面反应(13.3 节描述) ,选择 Wall Surface 或 Particle reaction 作为反应类 型。有关定义颗粒表面反应的进一步信息见 13.3.2 节。 3. 通过增加 Number of Reactants 和 Number of Products 的值指定反应中涉及的反应物和生成物的数 2.

量。 Species 下拉列表中选择每一种反应物或生成物, 在 然后在 Stoich. Coefficient 和 Rate Exponent

? ?? 区域中设定它的化学计量系数和速率指数。 (化学计量系数是方程 13.1-6 中的常数 ? i,r 和 ? i,r ,速

? 共有两种普通类型的反应可以在 Reactions 面板中处理。 率指数是方程 13.1-7 中的常数 ? ?j, r 和 ? ?j, r 。
因此正确输入每种反应的参数非常重要。反应的类型如下: ?

? 整体正向反应(无逆向反应) :产物一般不影响正向速率,因此所有产物的速率指数( ? ?j, r )
应该为 0。对于反应物,设定速率指数( ? ?j, r )为期望的值。如果某种反应不是基元反应,速 率指数一般不等于这种物质的化学计量系数。整体正向反应的一个实例是甲烷的燃烧:

图 13.1.4 表示了甲烷燃烧的系数输入(还可在 DataBase Materials 面板中查阅甲烷/空气混合物材料) 。 注意:在某些情况下,你可能希望模拟产物影响正向速率的反应。对于这些情况,设定产物速率指数 ( ? ?j, r )为期望的值。这种反应的一个例子是气体转换反应(见 DataBase Materials 面板中的 CO/空气混合 物材料) ,其中水的存在对反应速率有影响:

在气体转换反应中,速率表达式可以定义为:

?

可逆反应:假定每种物质的化学计量系数等于速率指数,这种反应的一个例子是 SO2 氧化为 SO3:

参见下面的第 6 步如何选定可逆反应。 4. 如果你使用 层流/有限速率,有限速率/涡耗散或是 EDC 模型模拟湍流-化学反应的相互作用,在 Arrhenius Rate 标题下输入 Arrhenius 速率的以下参数:

? 指数前因子(方程 13.1-9 中的常数 Ar ) Ar 的单位必须指定为方程 13.1-5 中的反应速率 Ri , r 的单位, 。
即 mol/vol*time 如 kgmol/m3-s) ( 和方程 13.1-5 中容积反应速率的单位, 即质量/容积-时间 (如 kg/ m3-s) . !注意如果你选择了英制单位系统, Arrhenius 因子还是会按公制单位输入。 这是因为当你使用英制单位

? 时, FLUENT 没有对你的 Ar 输入使用转换因子,正确的转换因子依赖于你的? i,r , ? r 等输入。

活化能(正向速率常数表达式中的常数 E r ,方程 13.1-9) 。 温度指数(方程 13.1-9 中的常数 ? r ) 。 第三体效率(方程 13.1-8 中的 ?
j, r

。如果你有这一效率的精确值,并且希望在反应速率中包括这种影

响(即在方程 13.1-7 中包括 ? ) ,打开 Third Body Efficiencies 选项,并点击 Specify…按纽以打开 Reaction Parameters 面板(图 13.1.5) 。对于面板中的每种物质,指定 Third Body Efficiencies。 !包括第三体效率不是必须的。你不需要选定 Third Body Efficiencies 选项,除非你有这些参数的精确 值。 压力依赖反应(如果相关)如果你使用层流/有限速率,有限速率/涡耗散或是 EDC 模型模拟湍流-化学 反应的相互作用,并且反应是压力下降反应(见 13.1.1 节) ,打开对于 Arrhenius Rate 的 Pressure Dependent Reaction 选项, 并点击 Specify…按纽以打开 Pressure Dependent Reaction 面板 (图 13.1.6) 。 欠松弛参数,选择适当的反应类型 Reaction Type(Lindemann,Troe,Sri) 。这三种方法的细节见 13.1.1 节。然后,如果要将混合物的 Bath Gas Concentration 定义为一种混合物构成物质的浓度的话,你需 要指定这一点,通过在下拉列表中选择适当的项。

在 Reactions 面板中 Arrhenius Rate 下指定的参数表示高压 Arrhenius 参数, 但是你可以对 Low Pressure Ahhrenius Rate 下的以下参数指定值: In(指数前因子) (方程 13.1-15 中的 Alow ) ,指数前因子 Alow 常常是一个非常大的数,因此你需要这一 项的自然对数值。 活化能(方程 13.1-15 中的 Elow ) 温度指数(方程 13.1-15 中的 ? low )

如果你选择 Troe 作为反应类型,你可以在 Troe Parameter 下指定 Alpha,T1,T2,T3 的值(方程 13.1-22 中的 ? , T1 , T2 和 T3 ) 。如果你选择 SRI 反应类型, 你可以在 SRI Parameter 下指定 a,b,c,d,e 的值(方程 13.1-22 中的 a , b , c , d 和 e ) 。

6.如果你使用层流/有限速率或是 EDC 模型模拟湍流-化学反应的相互作用,且反应是可逆的,则打开 对于 Arrhenius Rate 的 Include Backward Reaction 选项。当选定这一选项时,你将不能编辑产物的 Rate Exponent,这些值将被设定为与相应的 Stoich.系数相等。如果你不希望使用 FLUENT 的缺省值,或者你 在定义你自己的反应,你将还需要指定标准状态觞和标准状态焓,以在逆向反应速率常数计算中使用(方 程 13.1-10) 。注意可逆反应选项对于涡耗散或有限速率/涡耗散湍流-化学反应相互作用模型是不可获得的。 7.如果你使用湍流-化学反应相互作用的涡耗散或有限速率/涡耗散模型,你可以在 Mixing Rate 标题 下输入 A 和 B 的值。但是注意除非你有可靠的数据,不要改变这些值/在大多数情况下,你只需要简单地 使用缺省值。 A 是湍流混合速率的常数 A(方程 13.1-25 和 13.1-26) ,当一种物质作为反应物在反应中出现时用于这 种物质。缺省值为 4.0,根据 Magnussen 等人给出的经验值[149]。 B 是湍流混合速率的常数 B(方程 13.1-25 和 13.1-26) ,当一种物质作为产物在反应中出现时用于这种

物质。缺省值为 0.5,根据 Magnussen 等人给出的经验值[149]。 8.对于每一种你需要定义的反应重复步骤 2-7。完成所有反应后,点 OK。 定义燃料混合物的物质和反应 经常会遇到这种情况,燃烧系统中的燃料不能用一种纯物质(例如 CH4 或 C2H6)来描述) 。复杂的烃 类,包括燃料油乃至木材片) ,很难用这种纯物质来定义。但是,如果你已经得到了这种燃料的热值和最 终分析(单元组成) ,你可以定义一种等价的燃料物质和等价的热公式。例如,考虑一种含有 50%C,6%H 和 44%O(按重量)的燃料。除以原子质量后,你可以得到一种“燃料”物质,其分子式为 C4.17H6O2.75。 你可以从一种类似的,已存在的物质开始,或者从头开始创建一种物质,并分配给它一个分子量 100.04( 4.17 ? 12 ? 6 ? 1 ? 2.75 ? 16 )。化学反应可以认为是:

你将需要对这一反应设定适当的 stoichiometric 系数。 燃料物质的燃烧热(或标准焓)可以从已知的热值 ?H 计算得到,由于

其中, hi0 是 1mol 的标准状态焓。注意方程 13.1-31 的符号约定:当反应为放热时, ?H 为负。 定义混合物的物理属性 当你的 FLUENT 模型包括化学物质时,需要由你或数据库定义混合物材料的以下物理属性: ? 密度,可以用气体定律或作为组分比容的函数来定义 ? 粘度,可以定义为组分的函数 ? 热导率和比热(在涉及求解能量方程的问题中) ,你可以定义为组分的函数 ? 标准状态焓,如果你模拟可逆反应 这些属性输入的详细介绍在第 7 章中提供。 !包括一步和两步的总包反应机理不可避免地忽略中间物质。在高温火焰中,忽略这些分离物质可能 会导致温度的过高预测。通过增加每种物质的比热容可以得到更理想的温度场。Rose 和 Cooper[252]提供 了一组关于温度的比热多项式函数。每种物质的比热容可按下式计算:

表 13.1.1 为修正的 Cp 多项式系数

13.1.5 定义物质边界条件 在你的模拟中,需要指定入口处每种物质的质量分数。另外,对于压力出口,你需要指定出口处的物 质质量分数以在回流情况中使用。在壁面上,FLUENT 将对所有物质使用 0 梯度(0 通量)边界条件,除 非你已经在壁面上定义了表面反应(见 13.2 节)或是你选择指定壁面上的物质质量分数。边界条件的输入 在第 6 章论述。 !注意你只需要明确指定前 N-1 种物质的质量分数。求解器通过用 1 减去指定物质质量分数的和来计 算最后一种物质的质量分数,如果你需要明确指定最后一种物质的质量分数,你必须在列表中(Materials 面板)记录这种物质,如 13.1.4 节所述。 进口处的扩散,使用非耦合求解器 正如 13.1.1 节中所提到的,当使用非耦合求解器时,没有指定入口处的物质扩散部分(因此也没有净 入口输送量) 。在某些情况下,你可能希望通过你的计算区域入口的只有物质的对流输送。你可以通过取 消进口物质扩散做到这一点。在缺省状态下,FLUENT 在入口包括物质的扩散通量。为关闭入口扩散,使 用 define/models/species-transport/inlet-diffusion? Text 命令。 13.1.6 定义化学物质的其他源项 你可以通过在 Fluid 面板中定义一个源项来在计算区域中定义一个化学物质的源或是容器。 当你的问题 中存在物质源,但你又不希望通过化学反应机理来模拟它的时候,可以选择这一方法。6.27 节叙述了在你 的 FLUENT 模型中定义物质源所需要遵从的步骤。如果源项不是常数,你可以使用用户定义函数。用户 定义函数的细节见单独的 UDF 手册。 13.1.7 化学混合和有限速率反应的求解步骤 尽管许多涉及化学物质的模拟在求解过程中不需要特殊的步骤,你可能发现本节中提供的一种或多种 求解技术会对加速收敛或提高更复杂模拟的稳定性有所帮助。如果你的问题涉及许多物质和/或化学反应, 尤其是模拟燃烧流动时,以下列出的技术可能特别重要。 反应流中的稳定性和收敛 在反应流中获得收敛解非常困难,有很多原因。首先,化学反应对基本流型的影响可能非常强烈,导 致模型中质量/动量平衡和物质输运方程的强烈耦合。在燃烧中, 反应导致大的热量释放和相应的密度变化 以及流动中很大的加速度,上述耦合尤其明显。但是,当流动属性依赖于物质浓度时,所有的反应系统都 具有一定程度的耦合。 处理这些耦合问题的最好方法是使用下面介绍的两步求解过程及使用 22.9 节中介绍

的欠松弛方法。 反应流中的第二个收敛问题涉及反应源项的强度。当你的 FLUENT 模型涉及非常快的反应速率(即比 对流和扩散速率快得多) ,物质输运方程的求解在数值上非常困难。这种系统称为“刚性”系统,当你定 义涉及非常快的动力速度的模型,尤其是这些速度描述可逆反应或竞争反应,这种系统得以创建。在涡耗 散模型中,较慢的湍流速率去除了非常快的反应速率。对非预混系统,反应速率从模型中去除。对于层流 化学反应的刚性系统,推荐使用耦合求解器代替非耦合求解器。对湍流有限速率机理(可能是刚性的) , 推荐使用 EDC 模型,这一模型对化学反应使用一个刚性的 ODE 积分器。求解刚性化学反应系统的其它指 南见下述内容。 两步求解过程(冷流动模拟) 将一个反应流动作为两步过程求解对于获得你的 FLUENT 问题的稳定收敛解是一个实用的方法。在这 一过程中,你从求解不带反应的流动、能量和物质方程( “冷流动” ,或无反应流动)开始。当建立基本的 流型后,你可以再选择反应,并重新开始计算。冷流动求解提供了燃烧系统计算的初始解。这种燃烧模拟 的两步方法可以采用以下步骤完成: 1. 设定包括所有感兴趣物质和反应的问题 2. 通过关闭 Species Model 面板中的 Volumetric Reactions 选项暂时不选择反应计算

3. 关闭 Solution Controls 面板中的产物计算

4. 计算初始解(冷流动)(注意通常获得完全收敛的冷流动解没有实际价值,除非你对无反应解也 。 有兴趣) 5. 打开 Species Model 面板中的 Volumetric Reactions 选项使能反应计算 6. 打开所有反应。如果你使用层流有限速率、有限速率/涡耗散,或是 EDC 模型模拟湍流-化学反应 相互作用,你可能需要增添一个点火源(如下所述) 。 密度欠松弛 燃烧模拟难以收敛的一个主要原因是温度的剧烈变化引起密度的剧烈变化,从而导师流动求解的不稳 定性。当你使用非耦合求解器时,FLUENT 允许你欠松弛密度的这种变化以降低收敛的困难。密度欠松弛 因子的缺省值为 1,如果你遇到收敛问题,你可以将这个值减少到 0.5 到 1 之间(在 Solution Controls 面 板中) 。 燃烧模拟的点火 如果你将燃料引入氧化剂,自发的点火不会发生,除非混合物的温度超过了维持燃烧所需要的活化能 阈值。这一物理问题在 FLUENT 中也会出现。如果你使用层流有限速率、有限速率/涡耗散或 EDC 模型模 拟湍流-化学反应相互作用, 你将不得不提供一个点火源以启动燃烧。 这个点火源可以是加热的表面或温度 超过点火温度的入口质量流。但是,这常常等同于一个火花:一个初始求解状态使得燃烧可以进行。你可 以通过在 FLUENT 模型中一个包含有足够燃料/空气混合物以使点火能发生的区域给一个高的温度,来提 供这个初始火花。

根据模型的不同,你可能需要提供温度和燃料/氧化剂/产物浓度以在你的模型中产生点火。点火。这种 补缀对于最终的稳态解没有影响——不超过火柴的位置对它点燃的火炬最终流型的影响。缀入初始值的细 节见 22.13.2 节。 刚性层流化学反应系统的求解 当使用层流有限速率模型模拟层流反应系统时,你可能需要在反应机理是刚性的时候使用耦合求解器。

(反应流中的求解收敛 问题见以上讨论。注意你可以对湍流火焰使用层流有限速率模型,这表示忽略湍 流-化学反应的相互作用。 )另外,你可以通过使用 stiff-chemistry 文本命令为耦合求解器提供进一步的求 解稳定性。

这一选项对于大 Courant(CFL)数特例也适合,尽管需要额外的运算来计算化学雅可比行列式的特征值 [258]。当你使能刚性化学反应求解器时,你将会被询问指定下列参数: ? 温度的正性速率限制:以这个因子乘旧的温度限制新的温度改变。缺省值为 0.2。 ? 温度时间步长减少因子:当温度变化过快时限制当地 CFL 数。缺省值为 0.25。 ? 最大允许时间步长/化学反应时间尺度的比值: 当化学反应时间尺度 (化学雅可比行列式的特征值) 过大时限制当地 CFL 数,以保持好条件矩阵。缺省值为 0.9。 这些缺省值在大多数实例中都是可用的。 注意 stiff-chemistry 选项对非耦合求解器是没有的;它只能用于耦合求解器(隐式的或显式的) 。 EDC 模型求解步骤 如果你使用 EDC 模型,推荐使用双精度求解器(见 1.5 节) ,以避免刚性机理中固有的大指数前因子和 活化能产生的截断误差。 由于 EDC 模型需要很大的计算开销,建议你采用以下步骤,以用非耦合求解器得到解: 1. 用涡耗散模型和简单的单步或两步放热机理计算一个初始解。 2. 用适当的物质使能 EDC 化学反应机理。如果你有一个 CHEMKIN[112]格式的机理,参见 13.1.9 如何将它导入。 3. 如果物质的数目和反应顺序改变,你将需要改变物质边界条件。

4. 通过关闭 Species Model 面板中的 Volumetric Reaction 选项暂时取消反应计算。

5.在 Solution Controls 面板中只使能物质方程的求解。

6.对物质混合场计算一个解。 7. 打开 Species Model 面板中的 Volumetric Reaction 选项, 选定反应计算, 并在 Turbulence-Chemistry Interaction 下选择 EDC 模型。 8. 在 Solution Controls 面板中使能 Energy 方程的求解。 9. 对复合了物质和温度的场计算一个解。如果火焰吹熄,你可能还需要补缀一个高温区域。 10. 打开所有方程。 11. 计算最终解。 13.1.8 物质计算的后处理 FLUENT 可以报告化学物质的质量分数、摩尔分数和摩尔浓度。你还可以显示层流和有效质量扩散系 数。物质输运和反应模拟的后处理可以得到以下变量: ? 物质 n 的质量分数 ? 物质 n 的摩尔分数 ? 物质 n 的浓度 ? 物质 n 的的层流扩散系数

? ? ? ? ? ? ?

物质 n 的有效扩散系数 物质 n 的的焓(仅对非耦合求解器) 物质 n 的源项(仅对非耦合求解器) 物质 n 的表面沉积速率(只对颗粒表面反应计算) 相对湿度 时间步长尺度(只对刚性化学反应求解器)

? 反应 n 的速率 ? 反应 n 的 Arrhenius 速率 ? 反应 n 的湍流速率 这些变量包含在后处理面板的变量选择下拉列表中的 Species…, Temperature…, Reactions…栏中。 和 完整的流动变量、场函数和它们的定义见 27 章,25、26 章解释了如何产生图形显示和数据报告。 平均物质浓度 使用 Surface Integrals 面板,可以得到模型中的入口、出口和选择面(即用 Surface 菜单项创建的表面) 上的平均浓度。

在 Field Variable 下拉列表中选择适当物质的 Concentration of species-n。 13.1.9 从 CHEMKIN 导入一个化学反应机理 如果你有一个 CHEMKIN 格式的气相化学反应机理,你可以使用 Chemkin Import 面板(图 13.1.7)将 机理文件导入 FLUENT。

在 Chemkin Import 面板中,在 Chemkin Mechanism Flie 下输入 CHEMKIN 文件的路径(如路径 /file.che) ,并指定 Thermodynamic Data File(THERMO.DB)的位置。有关数据库的更多信息见 14.3.1 节。 当你指定了两个文件的正确路径后,在 Material Name 下输入化学反应机理的名字,并点击 Import 按 纽。FLU