第十三章《物質(zhì)輸送和有限速率化學反應》.docx

第十三章 物質(zhì)輸送和有限速率化學反應FLUENT可以通過求解描述每種組成物質(zhì)的對流、擴散和反應源的守恒方程來模擬混合和輸運，可以模擬多種同時發(fā)生的化學反應，反應可以是發(fā)生在大量相（容積反應）中，和/或是壁面、微粒的表面。包括反應或不包括反應的物質(zhì)輸運模擬能力，以及當使用這一模型時的輸入將在本章中敘述。注意你可能還希望使用混合物成分的方法（對非預混系統(tǒng)，在14章介紹）、反應進程變量的方法（對預混系統(tǒng)，在15章介紹），或部分預混方法（在16章介紹）來模擬你的反應系統(tǒng)。見12章FLUENT中反應模擬方法的概述。本章中的分為以下章節(jié)：l 13.1 容積反應l 13.2 壁面表面反應和化學蒸汽沉積l 13.3 微粒表面反應l 13.4 無反應物質(zhì)輸運131 容積反應與容積反應有關的物質(zhì)輸運和有限速率化學反應方面的信息在以下小節(jié)中給出：l 13.1.1 理論l 13.1.2 模擬物質(zhì)輸運和反應的用戶輸入概述l 13.1.3 使能物質(zhì)輸運和反應，并選擇混合物材料l 13.1.4 混合物和構(gòu)成物質(zhì)的屬性定義l 13.1.5 定義物質(zhì)的邊界條件l 13.1.6 定義化學物質(zhì)的其他源項l 13.1.7 化學混合和有限速率化學反應的求解過程l 13.1.8 物質(zhì)計算的后處理l 13.1.9 從CHEMKIN導入一個化學反應機理13.1.1 理論物質(zhì)輸運方程當你選擇解化學物質(zhì)的守恒方程時，F(xiàn)LUENT通過第種物質(zhì)的對流擴散方程預估每種物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)，Yi。守恒方程采用以下的通用形式： （13.1-1）其中是化學反應的凈產(chǎn)生速率（在本節(jié)稍后解釋），為離散相及用戶定義的源項導致的額外產(chǎn)生速率。在系統(tǒng)中出現(xiàn)N種物質(zhì)時，需要解N-1個這種形式的方程。由于質(zhì)量分數(shù)的和必須為1，第N種物質(zhì)的分數(shù)通過1減去N-1個已解得的質(zhì)量分數(shù)得到。為了使數(shù)值誤差最小，第N種物質(zhì)必須選擇質(zhì)量分數(shù)最大的物質(zhì)，比如氧化物是空氣時的N2。層流中的質(zhì)量擴散在方程13.1-1中，是物質(zhì)的擴散通量，由濃度梯度產(chǎn)生。缺省時，F(xiàn)LUENT使用稀釋近似，這樣擴散通量可記為： （13.1.2）這里是混合物中第種物質(zhì)的擴散系數(shù)。對于確定的層流流動，稀釋近似可能是不能接受的，需要完整的多組分擴散。在這些例子中，可以解Maxwell-Stefan方程，詳細情況見7.7.2節(jié)。湍流中的質(zhì)量擴散在湍流中，F(xiàn)LUENT以如下形式計算質(zhì)量擴散： (13.1.3)其中是湍流施密特數(shù)，（缺省設置值為0.7）。注意，湍流擴散一般淹沒層流擴散，在湍流中指定詳細的層流性質(zhì)是不允許的。能量方程中的物質(zhì)輸送處理在許多多組分混合流動中，物質(zhì)擴散導致了焓的傳遞。這種擴散對于焓場有重要影響，不能被忽略。特別是，當所有物質(zhì)的Lewis數(shù) （13.1-4）遠離1時，忽略這一項會導致嚴重的誤差。FLUENT缺省地包含這一項。在方程13.1-4中，k為熱導率。進口處的擴散在FLUENT的非耦合求解器中，入口的物質(zhì)凈輸送量由對流量和擴散量組成，對耦合解算器，只包括對流部分。對流部分由你指定的物質(zhì)濃度確定。擴散部分依賴于計算得到的物質(zhì)濃度場。因此，擴散部分（從而使凈輸送量）不預先指定。見13.1.5節(jié)有關指定入口凈輸送量的信息。反應建模的一般有限速率形式反應速率作為源項在方程13.1-1中出現(xiàn)，在FLUENT中根據(jù)以下三種模型中的一個計算：層流有限速率模型：忽略湍流脈動的影響，反應速率根據(jù)Arrhenius公式確定。渦耗散模型：認為反應速率由湍流控制，因此避開了代價高昂的Arrhenius化學動力學計算。渦耗散概念（EDC）模型：細致的Arrhenius化學動力學在湍流火焰中合并。注意詳盡的化學動力學計算代價高昂。通用有限速率對于范圍很廣的應用，包括層流或湍流反應系統(tǒng)，預混、非預混、部分預混燃燒系統(tǒng)都適用。層流有限速率模型層流有限速率模型使用Arrhenius公式計算化學源項，忽略湍流脈動的影響。這一模型對于層流火焰是準確的，但在湍流火焰中Arrhenius化學動力學的高度非線性，這一模型一般不精確。對于化學反應相對緩慢、湍流脈動較小的燃燒，如超音速火焰可能是可以接受的?；瘜W物質(zhì)的化學反應凈源項通過有其參加的NR個化學反應的Arrhenius反應源的和計算得到。其中是第種物質(zhì)的分子量，為第種物質(zhì)在第r個反應中的產(chǎn)生/分解速率。反應可能發(fā)生在連續(xù)相反應的連續(xù)相之間，或是在表面沉積的壁面處，或是發(fā)生在一種連續(xù)相物質(zhì)的演化中?？紤]以如下形式寫出的第r個反應： （13.1-6）其中系統(tǒng)中化學物質(zhì)數(shù)目；反應r中反應物i的化學計量系數(shù);反應r中生成物i的化學計量系數(shù);第i種物質(zhì)的符號；反應r的正向速率常數(shù)；反應r的逆向速率常數(shù)；方程13.1-6對于可逆和不可逆反應（FLUENT中缺省為不可逆）都適用。對于不可逆反應，逆向速率常數(shù)簡單地被忽略。方程13.1-6中的和是針對系統(tǒng)中的所有物質(zhì)，但只有作為反應物或生成物出現(xiàn)的物質(zhì)才有非零的化學計量系數(shù)。因此，不涉及到的物質(zhì)將從方程中清除。反應r中物質(zhì)i的產(chǎn)生/分解摩爾速度以如下公式給出： （13.1-7）其中：反應r 的化學物質(zhì)數(shù)目；反應r中每種反應物或生成物j的摩爾濃度；反應r中每種反應物或生成物j的正向反應速度指數(shù)；反應r中每種反應物或生成物j的逆向反應速度指數(shù)；見13.1.4節(jié)有關輸入整體正向反應（不可逆）和單元反應（可逆）的化學計量系數(shù)和速率指數(shù)方面的內(nèi)容。表示第三體對反應速率的凈影響。這一項由下式給出：其中為第r個反應中第j種物質(zhì)的第三體影響。在缺省狀態(tài)，F(xiàn)LUENT在反應速率計算中不包括第三體影響。但是當你有它們的數(shù)據(jù)時，你可以選擇包括第三體影響。反應r的前向速率常數(shù)通過Arrhenius公式計算：其中，指數(shù)前因子（恒定單位）； 溫度指數(shù)（無量綱）；反應活化能();氣體常數(shù)（）你（或者數(shù)據(jù)庫）可以在FLUENT的問題定義中提供，并可選擇提供。如果反應是可逆的，逆向反應常數(shù)可以根據(jù)以下關系從正向反應常數(shù)計算：其中為平衡常數(shù)，從下式計算：其中表示大氣壓力（101325Pa）。指數(shù)函數(shù)中的項表示Gibbs自由能的變化，其各部分按下式計算：其中和是標準狀態(tài)的熵和標準狀態(tài)的焓（生成熱）。這些值在FLUENT中作為混合物材料的屬性指定。壓力獨立反應FLUENT可以用以下三種方法之一來表示壓力獨立反應（或壓力下降）反應的速率表達式?！皦毫ο陆怠狈磻前l(fā)生在Arrhenius 高壓和低壓限制之間的反應，因而不僅僅依賴于溫度。有三種方法表示在“fall-off”區(qū)域的速率表達式，最簡單的是Lindemann140形式。還有其它良種相關的方法，Troe方法77和SRI方法230，它們提供了更精確的”fall-off”區(qū)域表達形式。Arrhenius速率參數(shù)對于高壓和低壓限制都是需要的。兩個限制的速率系數(shù)融合以產(chǎn)生光滑的壓力獨立表達式。在Arrhenius形式中，高壓限制和低壓限制的參數(shù)如下：在任意壓力下，凈反應速率常數(shù)為：其中定義為：為溶液氣體的濃度，可以包括第三體效率。如果方程13.1-16函數(shù)F為1，則是Lindemann形式。FLUENT提供了兩種其他形式來表述F，稱為Troe方法和SRI方法。在Troe方法中，F(xiàn)按下式給出：其中，參數(shù)做為輸入確定。在SRI方法中，縫合函數(shù)F近似為除了低壓限制表達式中的三個Arrhenius參數(shù)以外，你還需要提供F表達式中的a, b, c, d, e。！化學動力學機理中有很高的非線性并且形成了一組強烈耦合的方程。求解過程指導見13.1.7節(jié)。如果你有一個CHEMKIN形式的化學反應機理112，你可以將這一機理導入FLUENT，如13.1.9節(jié)。渦耗散模型大部分燃料快速燃燒。整體反應速率由湍流混合控制。在非預混火焰中，湍流緩慢地通過對流/混合燃料和氧化劑進入反應區(qū)，在反應區(qū)它們快速地燃燒。在預混火焰中，湍流對流/混合冷的反應物和熱的生成物進入反應區(qū)，在反應區(qū)迅速地發(fā)生反應。在這些情況下，燃燒稱為混合限制的，復雜，常常是未知的化學反應動力學速率可以安全地忽略掉。FLUENT提供了湍流-化學反應相互作用模型，基于Magnussen 和Hjertager149的工作，稱為渦耗散模型。反應r中物質(zhì)的產(chǎn)生速率由下面兩個表達式中較小的一個給出：在方程13.1-25和13.1-26中，化學反應速率由大渦混合時間尺度控制，如同Splading227的渦破碎模型一樣。只要湍流出現(xiàn)（），燃燒即可進行，不需要點火源來啟動燃燒。這通常對于非預混火焰是可接受的，但在預混火焰中，反應物一進入計算區(qū)域（火焰穩(wěn)定器上游）就開始燃燒。為了修正這一點，F(xiàn)LUENT提供了有限速率/渦耗散模型，其中Arrhenius（方程13.1-7）和渦耗散(方程13.1-25和13.1-26)反應速率都進行計算。凈反應速率取兩個速率中較小的。實際上，Arrhenius反應速率作為一種動力學開關，阻止反應在火焰穩(wěn)定器之前發(fā)生。一旦火焰被點燃，渦耗散速率通常會小于Arrhenius反應速率，并且反應是混合限制的。！盡管FLUENT允許采用渦耗散模型和有限速率/渦耗散模型的多步反應機理（反應數(shù)2），但可能會產(chǎn)生不正確的結(jié)果。原因是多步反應機理基于Arrhenius速率，每個反應的都不一樣。在渦耗散模型中，每個反應都有同樣的湍流速率，因而模型只能用于單步（反應物產(chǎn)物）或是雙步（反應物中間產(chǎn)物，中間產(chǎn)物產(chǎn)物）整體反應。模型不能預測化學動力學控制的物質(zhì)，如活性物質(zhì)。為合并湍流流動中的多步化學動力學機理，使用EDC模型（下面介紹）。！渦耗散模型需要產(chǎn)物來啟動反應（見方程13.1-26）。當你初始化求解的時候，F(xiàn)LUENT設置產(chǎn)物的質(zhì)量比率為0.01，通常足夠啟動反應。但是，如果你首先聚合一個混合解，其中所有的產(chǎn)物質(zhì)量比率都為0，你可能必須在反應區(qū)域中補入產(chǎn)物以啟動反應。詳細內(nèi)容見13.1.7節(jié)。LES的渦耗散模型當使用LES湍流模型時，湍流混合速率（方程13.1-25和13.1-26中的）被亞網(wǎng)格尺度混合速率替代。計算為：渦-耗散-概念（EDC）模型渦-耗散-概念（EDC）模型是渦耗散模型的擴展，以在湍流流動中包括詳細的化學反應機理148。它假定反應發(fā)生在小的湍流結(jié)構(gòu)中，稱為良好尺度。良好尺度的容積比率按下式模擬80：其中*表示良好尺度數(shù)量，容積比率常數(shù)=2.1377；運動粘度認為物質(zhì)在好的結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過一個時間尺度后開始反應。其中為時間尺度常數(shù)，等于0.4082在FLUENT中，良好尺度中的燃燒視為發(fā)生在定壓反應器中，初始條件取為單元中當前的物質(zhì)和溫度。反應經(jīng)過時間尺度后開始進行，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進行數(shù)值積分45。經(jīng)過一個時間的反應后物質(zhì)狀態(tài)記為物質(zhì)的守恒方程13.1-1中的源項計算公式為：EDC模型能在湍流反應流動中合并詳細的化學反應機理。但是，典型的機理具有不同的剛性，它們的數(shù)值積分計算開銷很大。因而，只有在快速化學反應假定無效的情況下才能使用這一模型，例如在快速熄滅火焰中緩慢的CO燒盡、在選擇性非催化還原中的NO轉(zhuǎn)化。推薦使用雙精度求解器以避免剛性機理中固有的大指數(shù)前因子和活化能產(chǎn)生的舍入誤差。見13.1.7節(jié)獲得使用EDC模型求解的指導。13.1.2 物質(zhì)輸送和反應模擬輸入概覽設定涉及物質(zhì)輸送和反應問題的基本步驟如下，每一步的詳細執(zhí)行過程見13.1.3-13.1.5節(jié)。有關設定和求解的附加信息在13.1.6-13.1.8節(jié)中提供。1 選定物質(zhì)輸送和容積反應，指定混合物材料。見13.1.3節(jié)（混合物材料概念在下面解釋）。2 如果你還要模擬壁面或微粒表面反應，則要打開壁面和/或微粒表面反應。細節(jié)見13.2和13.3節(jié)。3 檢查和/或定義混合物的屬性。（見13.1.4節(jié)）?；旌衔飳傩园ǎ簂 混合物中的物質(zhì)l 反應l 其他物理屬性（如粘度、比熱）4 檢查和/或設置混合物中單個物質(zhì)的屬性（見13.1.4節(jié)）5 設置物質(zhì)邊界條件（見13.1.5節(jié)）在很多情況下，當你選擇混合物材料是，求解器從材料數(shù)據(jù)庫中得到物質(zhì)性質(zhì)、反應等，因而你將不需要修改任何物理屬性。但有一些性質(zhì)可能在數(shù)據(jù)庫中沒有定義。如果有任何性質(zhì)需要設置時，你將被警告，這樣你可以指定這些性質(zhì)的適當值。你還可能希望檢查數(shù)據(jù)庫中這些性質(zhì)的值，以確定它們對你的應用是否正確。修改已存在的混合物材料或從最開始創(chuàng)建一個新的材料的詳細內(nèi)容見13.1.4節(jié)?；旌衔锊牧系男薷陌ㄒ韵路矫妫簂 物質(zhì)的添加和刪除l 改變化學反應l 修改混合物的其他材料屬性l 修改混合物本構(gòu)物質(zhì)的材料屬性如果你在求解一個反應流問題，你常常希望將混合物的比熱定義為組成的函數(shù)，將每種物質(zhì)的比熱定義為溫度的函數(shù)。你還可能對其它一些性質(zhì)希望也做這樣的定義。缺省狀態(tài)下，將使用恒定的屬性，但對一些物質(zhì)的性質(zhì)，在數(shù)據(jù)庫中存在一個溫度的分段多項式函數(shù)可供你使用。如果你知道更多適合于你的問題的函數(shù)的話，你還可以選擇指定一個不同的溫度依賴函數(shù)?；旌衔锊牧显贔LUENT中提出混合物材料的概念以方便物質(zhì)輸送和反應流動的設置?；旌衔锊牧峡梢哉J為是一組物質(zhì)和一列控制它們相互作用的規(guī)律?；旌衔锊牧蠋в幸韵滦再|(zhì)：l 一列本構(gòu)物質(zhì)，相對于“流體”物質(zhì)l 一列混合定律，指示如果希望得到組分依賴的屬性，混合屬性（密度，粘度，比熱等）如何從單個物質(zhì)得到l 如果希望屬性不依賴組分，直接指定混合物屬性l 其它與耽擱物質(zhì)無關的材料屬性（如吸收和輻射系數(shù)）l 一組反應，包括反應類型（有限速率，渦耗散等）和化學計量和速率常數(shù)混合物材料和流體材料都儲存在FLUENT的材料數(shù)據(jù)庫中。包括許多常見的混合物材料（如甲烷-空氣，丙烷-空氣）。通常，在數(shù)據(jù)庫中定義了一步/兩步反應機理和大量混合物及其構(gòu)成物質(zhì)的屬性。當你指定了你希望使用哪種混合物材料后，適當?shù)幕旌衔锊牧?，流體材料和屬性將被裝載到求解器中。如果缺少任何所選材料（或構(gòu)成流體材料）必須的屬性，求解器將通知你需要指定它。另外，你可以選擇修改任何預定義的屬性。見7.1.2節(jié)了解有關FLUENT數(shù)據(jù)庫屬性數(shù)據(jù)源的信息。例如，如果你計劃模擬一種甲烷-空氣的燃燒，你不需要明確指定反應中涉及的物質(zhì)和反應本身。只需要簡單地選擇甲烷-空氣作為使用的混合物材料，相關的物質(zhì)（CH4，O2，CO2，H2O和N2）和反應數(shù)據(jù)將從數(shù)據(jù)庫裝入求解器。然后你可以檢查物質(zhì)、反應和其它屬性并定義其它任何缺少的屬性，和/或修改任何你希望使用不同值或函數(shù)的屬性。通常你希望定義一個與組分、溫度相關的比熱，還可能希望將其它屬性定義為溫度和/或組分的函數(shù)?；旌衔锊牧系氖褂媒o你提供了一種靈活性，可以使用大量預定義混合物中的一種，修改這些混合物，或是創(chuàng)建你自己的混合物材料。自定義混合物材料在Materials面板中進行，在13.1.4節(jié)中講述。13.1.3 選定物質(zhì)輸送和反應，并選擇混合物材料物質(zhì)輸送和容積反應的問題設置總物質(zhì)模型（Species Model）面板開始（圖13.1.1）。1 在Model下，選擇Species Transport.2 在Reaction下，選擇Volumetric reactions3 在Mixture Properties下的Mixture Material下拉列表中選擇在你的問題中希望使用的混合物材料下拉列表中將包括所有在當前數(shù)據(jù)庫中定義的混合物。為檢查一種混合物材料的屬性，選擇它，并點擊View按紐。如果你所希望使用的混合物不在列表中，選擇混合物模板（mixture-template）材料，并參閱13.1.4節(jié)了解設置你自己的混合物屬性的詳細內(nèi)容。如果有一種混合物材料和你你所希望使用的混合物相似，可以選擇這一材料并參閱13.1.4節(jié)修改已存在材料性質(zhì)的詳細信息。當選擇Mixture Material時，混合物中的Number of Volumetric Species將在面板中顯示，表達你的信息。!注意如果你在已經(jīng)選定物質(zhì)輸送后，重新打開Species Model面板時，只有你的案例中可得到的混合物材料才會顯示在列表中。你可以通過從數(shù)據(jù)庫中拷貝在你的案例中增加更多混合物材料，如7.1.2節(jié)所述，或是創(chuàng)建一個新的混合物，如7.1.2節(jié)和13.1.4節(jié)所述。正如在13.1.2節(jié)中提到的，物質(zhì)輸送的模擬參數(shù)和反應（如果有關）將自動從數(shù)據(jù)庫中裝入。如果缺少任何信息，當你點擊Species Model面板中的OK按紐后將被告知缺少什么。如果你希望檢查或修改混合物材料的任何屬性，你將使用Materials面板，如13.1.4節(jié)所述。4 選擇湍流-化學反應相互作用模型，可以使用四種模型：層流有限速率：只計算Arrhenius速率（見方程13.1-7），并忽略湍流-化學反應相互作用。渦耗散模型（針對湍流流動）： 只計算混合速率（方程13.1-25和方程13.1-26）。有限速率/渦耗散模型（針對湍流流動）：計算Arrhenius速率和混合速率，并使用其中較小的一個。EDC模型（湍流流動）：使用詳細的化學反應機理模擬湍流-化學反應相互作用（見方程13.1-25和13.1-26）。5 如果你選擇EDC模型，你可以選擇修改容積比率常數(shù)和時間尺度常數(shù)（方程13.1-28中的和方程13.1-29中的，盡管通常推薦缺省值。此外，為減少化學反應計算的開銷，你可以增加每次化學反應更新的流動迭代（Flow Iteration Per Chemistry Update）次數(shù)。缺省時，F(xiàn)LUENT每十次流動迭代更新化學反應一次。6 （可選）如果你希望模擬完整的多組分擴散或熱擴散，打開完整多組分擴散或熱擴散Full Multicomponent Diffusion 或Thermal Diffusion選項。13.1.4 定義混合物的屬性和構(gòu)成物質(zhì)如13.1.2節(jié)所討論的，如果你使用來自數(shù)據(jù)庫的混合物材料，大部分混合物和物質(zhì)屬性已經(jīng)定義了。你可以跟隨這一節(jié)的過程檢查當前的屬性、修改某些屬性或是設定一個你從頭開始定義的全新的混合物材料的所有屬性。記住你將需要定義混合物材料和其構(gòu)成物質(zhì)的屬性。由于物質(zhì)屬性輸入可能依賴于你定義混合物屬性的方法，在設定構(gòu)成物質(zhì)的屬性之前定義混合物屬性非常重要。建議按照如下的屬性輸入順序：1 定義混合物物質(zhì)和反應，定義混合物物理屬性。記住在設定混合物材料屬性時點擊Change/Create按紐。2 定義混合物中物質(zhì)的物理屬性。記住在設定了每種物質(zhì)的屬性后點擊Change/Create按紐。所有這些步驟都在Materials面板中進行，在本節(jié)中將詳細敘述。定義混合物中的物質(zhì)如果你使用數(shù)據(jù)庫中的混合物材料，混合物中的物質(zhì)已經(jīng)為你定義了。如果你創(chuàng)建你自己的材料或是修改已存在材料中的物質(zhì)，你將需要自己定義它們。在Materials面板中（圖13.1.2），檢查材料類型Material Type是否已經(jīng)設置為混合物，并且你的混合物是否已經(jīng)在混合物材料列表Mixture Materials list中選定。點擊Mixture Species右邊的Edit按紐打開Species面板（圖13.1.3）。Species面板概覽在Species面板中，已選物質(zhì)Selected Species列表顯示所有混合物中的流體相物質(zhì)。如果你模擬壁面或微粒表面反應，已選物質(zhì)Selected Species列表將顯示所有混合物中的表面物質(zhì)。表面物質(zhì)是那些從壁面邊界或是離散相微粒(如Si(s)產(chǎn)生或散發(fā)出來的，以及在流體相物質(zhì)中不存在的物質(zhì)。表面物質(zhì)和壁面反應將在13.2節(jié)中敘述，微粒表面反應的有關內(nèi)容見13.3節(jié)。！已選物質(zhì)Selected Species列表中物質(zhì)的順序非常重要。FLUENT認為列表中最后的物質(zhì)是大量的物質(zhì)。因此，當你從混合物材料中增加或是刪除物質(zhì)時，必須小心將最豐富（按質(zhì)量）的物質(zhì)作為最后一個物質(zhì)?？色@得的物質(zhì)Available Material列表顯示可獲得，但不在混合物中的材料。通常你可以在列表中看到空氣air，因為缺省時，空氣通常是可獲得的。在混合物中增加物質(zhì)如果你從頭創(chuàng)建了一個混合物，或者從一種已存在的混合物開始并增加一些缺少的物質(zhì)，你首先需要從數(shù)據(jù)庫中導入希望的物質(zhì)（或是創(chuàng)建它們，如果它們不在數(shù)據(jù)庫中出現(xiàn)的話），以便在求解器中可以得到，增加物質(zhì)的過程在下面列出。（在開始前你需要關閉Species面板，因為它是一個模式面板，不允許在它打開的時候做別的事）1 在Materials面板中，點擊Datebase按紐以打開Database Materials面板，并拷貝希望的物質(zhì)，如7.1.2節(jié)所述。記住混合物的構(gòu)成物質(zhì)是流體材料，因而你需要在Database Materials面板中選擇Fulid Material Type來看到正確的選擇列表。注意可獲得的固體物質(zhì)（對表面反應）同樣也在流體列表中。！ 如果你在數(shù)據(jù)庫中沒有見到你搜尋的物質(zhì)，可以創(chuàng)建對這種物質(zhì)創(chuàng)建一個新的流體材料，依造7.1.2節(jié)中的指導，然后繼續(xù)以下的第二步。2 再次打開上面提到的Species面板。你將看到你從數(shù)據(jù)庫拷貝（或創(chuàng)建）的流體材料在Available Materials列表中列出。3 為了在混合物中增加一種物質(zhì)，在Available Materials列表中選擇它，并點擊Selected Species列表下面（或是Selected Surface Species列表下面，以定義一種表面物質(zhì)）的Add按紐。這種物質(zhì)將從Available Materials列表移動到Selected Species(或Selected Surface Species)列表的末尾。4 對所有希望的物質(zhì)重復上述步驟。結(jié)束后點擊OK按紐。！ 增加一種物質(zhì)到列表中將改變物質(zhì)的順序。你必須確保列表中的最后一個物質(zhì)是大量的物質(zhì)，并且你需要檢查你以前所設定的所有邊界條件，欠松弛因子或其它求解參數(shù)，如詳細敘述的那樣。在混合物中去除物質(zhì)為從混合物中去除一種物質(zhì)，只需要簡單地在Selected Species列表（或是Selected Surface Species列表）中選定它，并點擊列表下的Remove按紐。這種物質(zhì)將從列表中去除并增加到Available Materials列表中。！ 去除列表中的一種物質(zhì)將改變物質(zhì)的順序。你必須確保列表中的最后一個物質(zhì)是大量的物質(zhì)，并且你需要檢查你以前所設定的所有邊界條件，欠松弛因子或其它求解參數(shù)，如詳細敘述的那樣。重排物質(zhì)如果你發(fā)現(xiàn)Selected Species列表中最后一種物質(zhì)不是最豐富的物質(zhì)（應該是），你需要重排物質(zhì)以得到正確的順序。1 將最大量的物質(zhì)從Selected Species列表中去除。它將出現(xiàn)在Available Materials列表中。2 再次增添這種物質(zhì)，它將自動放在列表的末尾。物質(zhì)的命名和順序如上面討論的，你必須在增加或去除物質(zhì)時保持最豐富的物質(zhì)作為Selected Species列表中的最后一種物質(zhì)。在增加或去除物質(zhì)時還需要知道的一些考慮事項在這里給出。一種物質(zhì)有三個特征在供求解器識別：名字，化學分子式和在Species面板中物質(zhì)列表中的位置。改變這些特征將會產(chǎn)生以下效果：l 你可以改變一種物質(zhì)的名字（使用Materials面板，如7.1.2節(jié)所述），而不產(chǎn)生任何影響。l 你不能改變一種物質(zhì)的給定的化學分子式。l 如果你增加或去除物質(zhì)，將改變物質(zhì)列表的順序。這時，所有的邊界條件，求解器參數(shù)和物質(zhì)的求解數(shù)據(jù)將被從設為缺省值。（其它流動變量的求解數(shù)據(jù)，邊界條件，求解器參數(shù)將不受影響）因此，如果你增加或去除物質(zhì)，你需要注意這一新定義問題的物質(zhì)邊界條件和求解參數(shù)。另外，你必須認識到基于原來物質(zhì)順序給出的物質(zhì)濃度或是存儲在數(shù)據(jù)文件中的濃度將會與新定義的問題不匹配。你可以使用數(shù)據(jù)文件作為初始猜測值，但你必須知道數(shù)據(jù)文件中的物質(zhì)濃度將可能對新定義的模型提供一種不好的初始猜測。定義反應如果你的FLUENT模型中涉及化學反應，你可以接著定義參與的已定義物質(zhì)的反應。這只有在你從頭開始創(chuàng)建一種混合物、修改了物質(zhì)或是出于某些其他原因希望重定義反應時才是必須的。在Materials面板的Reaction下拉列表中顯示適當?shù)姆磻獧C理，依賴于你在Species Model面板中選擇的湍流-化學反應相互作用模型（見13.1.3節(jié)）。如果你使用層流有限速率或EDC模型，反應機理將是有限速率的，如果你使用渦耗散模型，反應機理將是渦耗散的；如果使用有限速率/渦耗散模型，反應機理將是有限速率/渦耗散的。反應定義的輸入為定義反應，點擊Reaction右側(cè)的Edit按紐。將打開Reaction面板（圖13.1.4）。定義反應的步驟如下：1 在Total Number of Reaction區(qū)域中設定反應數(shù)目（容積反應，壁面反應和微粒表面反應）（使用箭頭改變數(shù)值，或是鍵入值并按回車鍵。注意如果你的模型包括離散相的燃燒微粒，只有在你計劃使用表面燃燒的多表面反應模型時，才必須在反應數(shù)目中包括部分表面反應（s）（如碳的燃燒，多樣碳粒氧化）2. 設定你希望定義的反應的Reaction ID2. 如果是流體相反應，保持缺省選項Volumetric作為反應類型。如果是壁面反應（在13.2節(jié)中描述）或者顆粒表面反應（13.3節(jié)描述），選擇Wall Surface或Particle reaction 作為反應類型。有關定義顆粒表面反應的進一步信息見13.3.2節(jié)。3 通過增加Number of Reactants和Number of Products的值指定反應中涉及的反應物和生成物的數(shù)量。在Species下拉列表中選擇每一種反應物或生成物，然后在Stoich. Coefficient和Rate Exponent區(qū)域中設定它的化學計量系數(shù)和速率指數(shù)。（化學計量系數(shù)是方程13.1-6中的常數(shù)和，速率指數(shù)是方程13.1-7中的常數(shù)和。共有兩種普通類型的反應可以在Reactions面板中處理。因此正確輸入每種反應的參數(shù)非常重要。反應的類型如下：l 整體正向反應（無逆向反應）：產(chǎn)物一般不影響正向速率，因此所有產(chǎn)物的速率指數(shù)（）應該為0。對于反應物，設定速率指數(shù)（）為期望的值。如果某種反應不是基元反應，速率指數(shù)一般不等于這種物質(zhì)的化學計量系數(shù)。整體正向反應的一個實例是甲烷的燃燒：圖13.1.4表示了甲烷燃燒的系數(shù)輸入（還可在DataBase Materials面板中查閱甲烷/空氣混合物材料）。注意：在某些情況下，你可能希望模擬產(chǎn)物影響正向速率的反應。對于這些情況，設定產(chǎn)物速率指數(shù)（）為期望的值。這種反應的一個例子是氣體轉(zhuǎn)換反應（見DataBase Materials面板中的CO/空氣混合物材料），其中水的存在對反應速率有影響：在氣體轉(zhuǎn)換反應中，速率表達式可以定義為：l 可逆反應：假定每種物質(zhì)的化學計量系數(shù)等于速率指數(shù)，這種反應的一個例子是SO2氧化為SO3：參見下面的第6步如何選定可逆反應。4 如果你使用 層流/有限速率，有限速率/渦耗散或是EDC模型模擬湍流-化學反應的相互作用，在Arrhenius Rate標題下輸入Arrhenius速率的以下參數(shù)：指數(shù)前因子（方程13.1-9中的常數(shù)）。的單位必須指定為方程13.1-5中的反應速率的單位，即mol/vol*time（如kgmol/m3-s）和方程13.1-5中容積反應速率的單位，即質(zhì)量/容積-時間（如kg/ m3-s）.!注意如果你選擇了英制單位系統(tǒng)，Arrhenius因子還是會按公制單位輸入。這是因為當你使用英制單位時， FLUENT沒有對你的輸入使用轉(zhuǎn)換因子，正確的轉(zhuǎn)換因子依賴于你的，等輸入。活化能（正向速率常數(shù)表達式中的常數(shù)，方程13.1-9）。溫度指數(shù)（方程13.1-9中的常數(shù)）。第三體效率（方程13.1-8中的。如果你有這一效率的精確值，并且希望在反應速率中包括這種影響（即在方程13.1-7中包括），打開Third Body Efficiencies選項，并點擊Specify按紐以打開Reaction Parameters面板（圖13.1.5）。對于面板中的每種物質(zhì)，指定Third Body Efficiencies。！包括第三體效率不是必須的。你不需要選定Third Body Efficiencies選項，除非你有這些參數(shù)的精確值。壓力依賴反應（如果相關）如果你使用層流/有限速率，有限速率/渦耗散或是EDC模型模擬湍流-化學反應的相互作用，并且反應是壓力下降反應（見13.1.1節(jié)），打開對于Arrhenius Rate的Pressure Dependent Reaction選項，并點擊Specify按紐以打開Pressure Dependent Reaction面板（圖13.1.6）。欠松弛參數(shù)，選擇適當?shù)姆磻愋蚏eaction Type（Lindemann,Troe,Sri）。這三種方法的細節(jié)見13.1.1節(jié)。然后，如果要將混合物的Bath Gas Concentration定義為一種混合物構(gòu)成物質(zhì)的濃度的話，你需要指定這一點，通過在下拉列表中選擇適當?shù)捻?。在Reactions面板中Arrhenius Rate下指定的參數(shù)表示高壓Arrhenius參數(shù)，但是你可以對Low Pressure Ahhrenius Rate下的以下參數(shù)指定值：In（指數(shù)前因子）（方程13.1-15中的），指數(shù)前因子常常是一個非常大的數(shù)，因此你需要這一項的自然對數(shù)值。活化能（方程13.1-15中的）溫度指數(shù)（方程13.1-15中的）如果你選擇Troe作為反應類型，你可以在Troe Parameter下指定Alpha,T1,T2,T3的值（方程13.1-22中的，和）。如果你選擇SRI反應類型, 你可以在SRI Parameter下指定a,b,c,d,e的值（方程13.1-22中的，和）。6如果你使用層流/有限速率或是EDC模型模擬湍流-化學反應的相互作用，且反應是可逆的，則打開對于Arrhenius Rate的Include Backward Reaction選項。當選定這一選項時，你將不能編輯產(chǎn)物的Rate Exponent，這些值將被設定為與相應的Stoich.系數(shù)相等。如果你不希望使用FLUENT的缺省值，或者你在定義你自己的反應，你將還需要指定標準狀態(tài)觴和標準狀態(tài)焓，以在逆向反應速率常數(shù)計算中使用（方程13.1-10）。注意可逆反應選項對于渦耗散或有限速率/渦耗散湍流-化學反應相互作用模型是不可獲得的。7如果你使用湍流-化學反應相互作用的渦耗散或有限速率/渦耗散模型，你可以在Mixing Rate標題下輸入A和B的值。但是注意除非你有可靠的數(shù)據(jù)，不要改變這些值/在大多數(shù)情況下，你只需要簡單地使用缺省值。A是湍流混合速率的常數(shù)A（方程13.1-25和13.1-26），當一種物質(zhì)作為反應物在反應中出現(xiàn)時用于這種物質(zhì)。缺省值為4.0，根據(jù)Magnussen等人給出的經(jīng)驗值149。B是湍流混合速率的常數(shù)B（方程13.1-25和13.1-26），當一種物質(zhì)作為產(chǎn)物在反應中出現(xiàn)時用于這種物質(zhì)。缺省值為0.5，根據(jù)Magnussen等人給出的經(jīng)驗值149。8對于每一種你需要定義的反應重復步驟2-7。完成所有反應后，點OK。定義燃料混合物的物質(zhì)和反應經(jīng)常會遇到這種情況，燃燒系統(tǒng)中的燃料不能用一種純物質(zhì)（例如CH4或C2H6）來描述）。復雜的烴類，包括燃料油乃至木材片），很難用這種純物質(zhì)來定義。但是，如果你已經(jīng)得到了這種燃料的熱值和最終分析（單元組成），你可以定義一種等價的燃料物質(zhì)和等價的熱公式。例如，考慮一種含有50%C，6%H和44%O（按重量）的燃料。除以原子質(zhì)量后，你可以得到一種“燃料”物質(zhì)，其分子式為C4.17H6O2.75。你可以從一種類似的，已存在的物質(zhì)開始，或者從頭開始創(chuàng)建一種物質(zhì)，并分配給它一個分子量100.04()?；瘜W反應可以認為是：你將需要對這一反應設定適當?shù)膕toichiometric系數(shù)。燃料物質(zhì)的燃燒熱（或標準焓）可以從已知的熱值計算得到，由于其中，是1mol的標準狀態(tài)焓。注意方程13.1-31的符號約定：當反應為放熱時，為負。定義混合物的物理屬性當你的FLUENT模型包括化學物質(zhì)時，需要由你或數(shù)據(jù)庫定義混合物材料的以下物理屬性：l 密度，可以用氣體定律或作為組分比容的函數(shù)來定義l 粘度，可以定義為組分的函數(shù)l 熱導率和比熱（在涉及求解能量方程的問題中），你可以定義為組分的函數(shù)l 標準狀態(tài)焓，如果你模擬可逆反應這些屬性輸入的詳細介紹在第7章中提供。！包括一步和兩步的總包反應機理不可避免地忽略中間物質(zhì)。在高溫火焰中，忽略這些分離物質(zhì)可能會導致溫度的過高預測。通過增加每種物質(zhì)的比熱容可以得到更理想的溫度場。Rose和Cooper252提供了一組關于溫度的比熱多項式函數(shù)。每種物質(zhì)的比熱容可按下式計算：表13.1.1為修正的Cp多項式系數(shù)13.1.5 定義物質(zhì)邊界條件在你的模擬中，需要指定入口處每種物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)。另外，對于壓力出口，你需要指定出口處的物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)以在回流情況中使用。在壁面上，F(xiàn)LUENT將對所有物質(zhì)使用0梯度（0通量）邊界條件，除非你已經(jīng)在壁面上定義了表面反應（見13.2節(jié)）或是你選擇指定壁面上的物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)。邊界條件的輸入在第6章論述。！注意你只需要明確指定前N-1種物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)。求解器通過用1減去指定物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的和來計算最后一種物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)，如果你需要明確指定最后一種物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)，你必須在列表中（Materials面板）記錄這種物質(zhì)，如13.1.4節(jié)所述。進口處的擴散，使用非耦合求解器正如13.1.1節(jié)中所提到的，當使用非耦合求解器時，沒有指定入口處的物質(zhì)擴散部分（因此也沒有凈入口輸送量）。在某些情況下，你可能希望通過你的計算區(qū)域入口的只有物質(zhì)的對流輸送。你可以通過取消進口物質(zhì)擴散做到這一點。在缺省狀態(tài)下，F(xiàn)LUENT在入口包括物質(zhì)的擴散通量。為關閉入口擴散，使用define/models/species-transport/inlet-diffusion? Text命令。13.1.6 定義化學物質(zhì)的其他源項你可以通過在Fluid面板中定義一個源項來在計算區(qū)域中定義一個化學物質(zhì)的源或是容器。當你的問題中存在物質(zhì)源，但你又不希望通過化學反應機理來模擬它的時候，可以選擇這一方法。6.27節(jié)敘述了在你的FLUENT模型中定義物質(zhì)源所需要遵從的步驟。如果源項不是常數(shù)，你可以使用用戶定義函數(shù)。用戶定義函數(shù)的細節(jié)見單獨的UDF手冊。13.1.7 化學混合和有限速率反應的求解步驟盡管許多涉及化學物質(zhì)的模擬在求解過程中不需要特殊的步驟，你可能發(fā)現(xiàn)本節(jié)中提供的一種或多種求解技術會對加速收斂或提高更復雜模擬的穩(wěn)定性有所幫助。如果你的問題涉及許多物質(zhì)和/或化學反應，尤其是模擬燃燒流動時，以下列出的技術可能特別重要。反應流中的穩(wěn)定性和收斂在反應流中獲得收斂解非常困難，有很多原因。首先，化學反應對基本流型的影響可能非常強烈，導致模型中質(zhì)量/動量平衡和物質(zhì)輸運方程的強烈耦合。在燃燒中，反應導致大的熱量釋放和相應的密度變化以及流動中很大的加速度，上述耦合尤其明顯。但是，當流動屬性依賴于物質(zhì)濃度時，所有的反應系統(tǒng)都具有一定程度的耦合。處理這些耦合問題的最好方法是使用下面介紹的兩步求解過程及使用22.9節(jié)中介紹的欠松弛方法。反應流中的第二個收斂問題涉及反應源項的強度。當你的FLUENT模型涉及非?？斓姆磻俾剩幢葘α骱蛿U散速率快得多），物質(zhì)輸運方程的求解在數(shù)值上非常困難。這種系統(tǒng)稱為“剛性”系統(tǒng)，當你定義涉及非?？斓膭恿λ俣鹊哪Ｐ?，尤其是這些速度描述可逆反應或競爭反應，這種系統(tǒng)得以創(chuàng)建。在渦耗散模型中，較慢的湍流速率去除了非常快的反應速率。對非預混系統(tǒng)，反應速率從模型中去除。對于層流化學反應的剛性系統(tǒng)，推薦使用耦合求解器代替非耦合求解器。對湍流有限速率機理（可能是剛性的），推薦使用EDC模型，這一模型對化學反應使用一個剛性的ODE積分器。求解剛性化學反應系統(tǒng)的其它指南見下述內(nèi)容。兩步求解過程（冷流動模擬）將一個反應流動作為兩步過程求解對于獲得你的FLUENT問題的穩(wěn)定收斂解是一個實用的方法。在這一過程中，你從求解不帶反應的流動、能量和物質(zhì)方程（“冷流動”，或無反應流動）開始。當建立基本的流型后，你可以再選擇反應，并重新開始計算。冷流動求解提供了燃燒系統(tǒng)計算的初始解。這種燃燒模擬的兩步方法可以采用以下步驟完成：1 設定包括所有感興趣物質(zhì)和反應的問題2 通過關閉Species Model面板中的Volumetric Reactions選項暫時不選擇反應計算3 關閉Solution Controls面板中的產(chǎn)物計算4 計算初始解（冷流動）。（注意通常獲得完全收斂的冷流動解沒有實際價值，除非你對無反應解也有興趣）5 打開Species Model面板中的Volumetric Reactions選項使能反應計算6 打開所有反應。如果你使用層流有限速率、有限速率/渦耗散，或是EDC模型模擬湍流-化學反應相互作用，你可能需要增添一個點火源（如下所述）。密度欠松弛燃燒模擬難以收斂的一個主要原因是溫度的劇烈變化引起密度的劇烈變化，從而導師流動求解的不穩(wěn)定性。當你使用非耦合求解器時，F(xiàn)LUENT允許你欠松弛密度的這種變化以降低收斂的困難。密度欠松弛因子的缺省值為1，如果你遇到收斂問題，你可以將這個值減少到0.5到1之間（在Solution Controls面板中）。燃燒模擬的點火如果你將燃料引入氧化劑，自發(fā)的點火不會發(fā)生，除非混合物的溫度超過了維持燃燒所需要的活化能閾值。這一物理問題在FLUENT中也會出現(xiàn)。如果你使用層流有限速率、有限速率/渦耗散或EDC模型模擬湍流-化學反應相互作用，你將不得不提供一個點火源以啟動燃燒。這個點火源可以是加熱的表面或溫度超過點火溫度的入口質(zhì)量流。但是，這常常等同于一個火花：一個初始求解狀態(tài)使得燃燒可以進行。你可以通過在FLUENT模型中一個包含有足夠燃料/空氣混合物以使點火能發(fā)生的區(qū)域給一個高的溫度，來提供這個初始火花。根據(jù)模型的不同，你可能需要提供溫度和燃料/氧化劑/產(chǎn)物濃度以在你的模型中產(chǎn)生點火。點火。這種補綴對于最終的穩(wěn)態(tài)解沒有影響不超過火柴的位置對它點燃的火炬最終流型的影響。綴入初始值的細節(jié)見22.13.2節(jié)。剛性層流化學反應系統(tǒng)的求解當使用層流有限速率模型模擬層流反應系統(tǒng)時，你可能需要在反應機理是剛性的時候使用耦合求解器。（反應流中的求解收斂 問題見以上討論。注意你可以對湍流火焰使用層流有限速率模型，這表示忽略湍流-化學反應的相互作用。）另外，你可以通過使用stiff-chemistry 文本命令為耦合求解器提供進一步的求解穩(wěn)定性。這一選項對于大Courant(CFL)數(shù)特例也適合，盡管需要額外的運算來計算化學雅可比行列式的特征值258。當你使能剛性化學反應求解器時，你將會被詢問指定下列參數(shù)：l 溫度的正性速率限制：以這個因子乘舊的溫度限制新的溫度改變。缺省值為0.2。l 溫度時間步長減少因子：當溫度變化過快時限制當?shù)谻FL數(shù)。缺省值為0.25。l 最大允許時間步長/化學反應時間尺度的比值：當化學反應時間尺度（化學雅可比行列式的特征值）過大時限制當?shù)谻FL數(shù)，以保持好條件矩陣。缺省值為0.9。這些缺省值在大多數(shù)實例中都是可用的。注意stiff-chemistry選項對非耦合求解器是沒有的；它只能用于耦合求解器（隱式的或顯式的）。EDC模型求解步驟如果你使用EDC模型，推薦使用雙精度求解器（見1.5節(jié)），以避免剛性機理中固有的大指數(shù)前因子和活化能產(chǎn)生的截斷誤差。由于EDC模型需要很大的計算開銷，建議你采用以下步驟，以用非耦合求解器得到解：1 用渦耗散模型和簡單的單步或兩步放熱機理計算一個初始解。2 用適當?shù)奈镔|(zhì)使能EDC化學反應機理。如果你有一個CHEMKIN112格式的機理，參見13.1.9如何將它導入。3 如果物質(zhì)的數(shù)目和反應順序改變，你將需要改變物質(zhì)邊界條件。4 通過關閉Species Model面板中的Volumetric Reaction選項暫時取消反應計算。5在Solution Controls面板中只使能物質(zhì)方程的求解。6對物質(zhì)混合場計算一個解。7 打開Species Model面板中的Volumetric Reaction選項，選定反應計算，并在Turbulence-Chemistry Interaction下選擇EDC模型。8 在Solution Controls面板中使能Energy方程的求解。9 對復合了物質(zhì)和溫度的場計算一個解。如果火焰吹熄，你可能還需要補綴一個高溫區(qū)域。10 打開所有方程。11 計算最終解。13.1.8 物質(zhì)計算的后處理FLUENT可以報告化學物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)、摩爾分數(shù)和摩爾濃度。你還可以顯示層流和有效質(zhì)量擴散系數(shù)。物質(zhì)輸運和反應模擬的后處理可以得到以下變量：l 物質(zhì)n的質(zhì)量分數(shù)l 物質(zhì)n的摩爾分數(shù)l 物質(zhì)n的濃度l 物質(zhì)n的的層流擴散系數(shù)l 物質(zhì)n的有效擴散系數(shù)l 物質(zhì)n的的焓（僅對非耦合求解器）l 物質(zhì)n的源項（僅對非耦合求解器）l 物質(zhì)n的表面沉積速率（只對顆粒表面反應計算）l 相對濕度l 時間步長尺度（只對剛性化學反應求解