第13章 物質(zhì)輸送和有限速率化學(xué)反應(yīng)

1、第十三章 物質(zhì)輸送和有限速率化學(xué)反應(yīng)FLUENT可以通過(guò)求解描述每種組成物質(zhì)的對(duì)流、擴(kuò)散和反應(yīng)源的守恒方程來(lái)模擬混合和輸運(yùn)，可以模擬多種同時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)可以是發(fā)生在大量相（容積反應(yīng)）中，和/或是壁面、微粒的表面。包括反應(yīng)或不包括反應(yīng)的物質(zhì)輸運(yùn)模擬能力，以及當(dāng)使用這一模型時(shí)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(duì)非預(yù)混系統(tǒng)，在14章介紹）、反應(yīng)進(jìn)程變量的方法（對(duì)預(yù)混系統(tǒng)，在15章介紹），或部分預(yù)混方法（在16章介紹）來(lái)模擬你的反應(yīng)系統(tǒng)。見(jiàn)12章FLUENT中反應(yīng)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(yīng)l 13.2 壁面表面反應(yīng)和化學(xué)蒸汽沉積l 1

2、3.3 微粒表面反應(yīng)l 13.4 無(wú)反應(yīng)物質(zhì)輸運(yùn)131 容積反應(yīng)與容積反應(yīng)有關(guān)的物質(zhì)輸運(yùn)和有限速率化學(xué)反應(yīng)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(yùn)和反應(yīng)的用戶輸入概述l 13.1.3 使能物質(zhì)輸運(yùn)和反應(yīng)，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(xué)物質(zhì)的其他源項(xiàng)l 13.1.7 化學(xué)混合和有限速率化學(xué)反應(yīng)的求解過(guò)程l 13.1.8 物質(zhì)計(jì)算的后處理l 13.1.9 從CHEMKIN導(dǎo)入一個(gè)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理13.1.1 理論物質(zhì)輸運(yùn)方程當(dāng)你選擇解化學(xué)物質(zhì)的守恒方程時(shí)，F(xiàn)LUENT通過(guò)

3、第種物質(zhì)的對(duì)流擴(kuò)散方程預(yù)估每種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Yi。守恒方程采用以下的通用形式： （13.1-1）其中是化學(xué)反應(yīng)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(xiàng)導(dǎo)致的額外產(chǎn)生速率。在系統(tǒng)中出現(xiàn)N種物質(zhì)時(shí)，需要解N-1個(gè)這種形式的方程。由于質(zhì)量分?jǐn)?shù)的和必須為1，第N種物質(zhì)的分?jǐn)?shù)通過(guò)1減去N-1個(gè)已解得的質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)最大的物質(zhì)，比如氧化物是空氣時(shí)的N2。層流中的質(zhì)量擴(kuò)散在方程13.1-1中，是物質(zhì)的擴(kuò)散通量，由濃度梯度產(chǎn)生。缺省時(shí)，F(xiàn)LUENT使用稀釋近似，這樣擴(kuò)散通量可記為： （13.1.2）這里是混合物中第種物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)。對(duì)于確定的層流

4、流動(dòng)，稀釋近似可能是不能接受的，需要完整的多組分?jǐn)U散。在這些例子中，可以解Maxwell-Stefan方程，詳細(xì)情況見(jiàn)7.7.2節(jié)。湍流中的質(zhì)量擴(kuò)散在湍流中，F(xiàn)LUENT以如下形式計(jì)算質(zhì)量擴(kuò)散： (13.1.3)其中是湍流施密特?cái)?shù)，（缺省設(shè)置值為0.7）。注意，湍流擴(kuò)散一般淹沒(méi)層流擴(kuò)散，在湍流中指定詳細(xì)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(dòng)中，物質(zhì)擴(kuò)散導(dǎo)致了焓的傳遞。這種擴(kuò)散對(duì)于焓場(chǎng)有重要影響，不能被忽略。特別是，當(dāng)所有物質(zhì)的Lewis數(shù) （13.1-4）遠(yuǎn)離1時(shí)，忽略這一項(xiàng)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的誤差。FLUENT缺省地包含這一項(xiàng)。在方程13.1-4中，k為熱導(dǎo)率。進(jìn)口處的擴(kuò)

5、散在FLUENT的非耦合求解器中，入口的物質(zhì)凈輸送量由對(duì)流量和擴(kuò)散量組成，對(duì)耦合解算器，只包括對(duì)流部分。對(duì)流部分由你指定的物質(zhì)濃度確定。擴(kuò)散部分依賴于計(jì)算得到的物質(zhì)濃度場(chǎng)。因此，擴(kuò)散部分（從而使凈輸送量）不預(yù)先指定。見(jiàn)13.1.5節(jié)有關(guān)指定入口凈輸送量的信息。反應(yīng)建模的一般有限速率形式反應(yīng)速率作為源項(xiàng)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(gè)計(jì)算：層流有限速率模型：忽略湍流脈動(dòng)的影響，反應(yīng)速率根據(jù)Arrhenius公式確定。渦耗散模型：認(rèn)為反應(yīng)速率由湍流控制，因此避開(kāi)了代價(jià)高昂的Arrhenius化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算。渦耗散概念（EDC）模型：細(xì)致的Arrhenius化學(xué)動(dòng)力

6、學(xué)在湍流火焰中合并。注意詳盡的化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算代價(jià)高昂。通用有限速率對(duì)于范圍很廣的應(yīng)用，包括層流或湍流反應(yīng)系統(tǒng)，預(yù)混、非預(yù)混、部分預(yù)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(jì)算化學(xué)源項(xiàng)，忽略湍流脈動(dòng)的影響。這一模型對(duì)于層流火焰是準(zhǔn)確的，但在湍流火焰中Arrhenius化學(xué)動(dòng)力學(xué)的高度非線性，這一模型一般不精確。對(duì)于化學(xué)反應(yīng)相對(duì)緩慢、湍流脈動(dòng)較小的燃燒，如超音速火焰可能是可以接受的?；瘜W(xué)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)凈源項(xiàng)通過(guò)有其參加的NR個(gè)化學(xué)反應(yīng)的Arrhenius反應(yīng)源的和計(jì)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(gè)反應(yīng)中的產(chǎn)生/分解速率。反應(yīng)可能發(fā)生在連續(xù)相反應(yīng)

7、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。考慮以如下形式寫出的第r個(gè)反應(yīng)： （13.1-6）其中系統(tǒng)中化學(xué)物質(zhì)數(shù)目；反應(yīng)r中反應(yīng)物i的化學(xué)計(jì)量系數(shù);反應(yīng)r中生成物i的化學(xué)計(jì)量系數(shù);第i種物質(zhì)的符號(hào)；反應(yīng)r的正向速率常數(shù)；反應(yīng)r的逆向速率常數(shù)；方程13.1-6對(duì)于可逆和不可逆反應(yīng)（FLUENT中缺省為不可逆）都適用。對(duì)于不可逆反應(yīng)，逆向速率常數(shù)簡(jiǎn)單地被忽略。方程13.1-6中的和是針對(duì)系統(tǒng)中的所有物質(zhì)，但只有作為反應(yīng)物或生成物出現(xiàn)的物質(zhì)才有非零的化學(xué)計(jì)量系數(shù)。因此，不涉及到的物質(zhì)將從方程中清除。反應(yīng)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

8、：反應(yīng)r 的化學(xué)物質(zhì)數(shù)目；反應(yīng)r中每種反應(yīng)物或生成物j的摩爾濃度；反應(yīng)r中每種反應(yīng)物或生成物j的正向反應(yīng)速度指數(shù)；反應(yīng)r中每種反應(yīng)物或生成物j的逆向反應(yīng)速度指數(shù)；見(jiàn)13.1.4節(jié)有關(guān)輸入整體正向反應(yīng)（不可逆）和單元反應(yīng)（可逆）的化學(xué)計(jì)量系數(shù)和速率指數(shù)方面的內(nèi)容。表示第三體對(duì)反應(yīng)速率的凈影響。這一項(xiàng)由下式給出：其中為第r個(gè)反應(yīng)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(yīng)速率計(jì)算中不包括第三體影響。但是當(dāng)你有它們的數(shù)據(jù)時(shí)，你可以選擇包括第三體影響。反應(yīng)r的前向速率常數(shù)通過(guò)Arrhenius公式計(jì)算：其中，指數(shù)前因子（恒定單位）； 溫度指數(shù)（無(wú)量綱）；反應(yīng)活化能();氣體常數(shù)（）你（或者

9、數(shù)據(jù)庫(kù)）可以在FLUENT的問(wèn)題定義中提供，并可選擇提供。如果反應(yīng)是可逆的，逆向反應(yīng)常數(shù)可以根據(jù)以下關(guān)系從正向反應(yīng)常數(shù)計(jì)算：其中為平衡常數(shù)，從下式計(jì)算：其中表示大氣壓力（101325Pa）。指數(shù)函數(shù)中的項(xiàng)表示Gibbs自由能的變化，其各部分按下式計(jì)算：其中和是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的熵和標(biāo)準(zhǔn)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(dú)立反應(yīng)FLUENT可以用以下三種方法之一來(lái)表示壓力獨(dú)立反應(yīng)（或壓力下降）反應(yīng)的速率表達(dá)式?！皦毫ο陆怠狈磻?yīng)是發(fā)生在Arrhenius 高壓和低壓限制之間的反應(yīng)，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(dá)式，最簡(jiǎn)單的是L

10、indemann140形式。還有其它良種相關(guān)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(dá)形式。Arrhenius速率參數(shù)對(duì)于高壓和低壓限制都是需要的。兩個(gè)限制的速率系數(shù)融合以產(chǎn)生光滑的壓力獨(dú)立表達(dá)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(yīng)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(lái)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

11、近似為除了低壓限制表達(dá)式中的三個(gè)Arrhenius參數(shù)以外，你還需要提供F表達(dá)式中的a, b, c, d, e。！化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理中有很高的非線性并且形成了一組強(qiáng)烈耦合的方程。求解過(guò)程指導(dǎo)見(jiàn)13.1.7節(jié)。如果你有一個(gè)CHEMKIN形式的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理112，你可以將這一機(jī)理導(dǎo)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(yīng)速率由湍流混合控制。在非預(yù)混火焰中，湍流緩慢地通過(guò)對(duì)流/混合燃料和氧化劑進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，在反應(yīng)區(qū)它們快速地燃燒。在預(yù)混火焰中，湍流對(duì)流/混合冷的反應(yīng)物和熱的生成物進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，在反應(yīng)區(qū)迅速地發(fā)生反應(yīng)。在這些情況下，燃燒稱為混合限制的，復(fù)雜，常常是未知的化學(xué)反應(yīng)

12、動(dòng)力學(xué)速率可以安全地忽略掉。FLUENT提供了湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用模型，基于Magnussen 和Hjertager149的工作，稱為渦耗散模型。反應(yīng)r中物質(zhì)的產(chǎn)生速率由下面兩個(gè)表達(dá)式中較小的一個(gè)給出：在方程13.1-25和13.1-26中，化學(xué)反應(yīng)速率由大渦混合時(shí)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(jìn)行，不需要點(diǎn)火源來(lái)啟動(dòng)燃燒。這通常對(duì)于非預(yù)混火焰是可接受的，但在預(yù)混火焰中，反應(yīng)物一進(jìn)入計(jì)算區(qū)域（火焰穩(wěn)定器上游）就開(kāi)始燃燒。為了修正這一點(diǎn)，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-

13、25和13.1-26)反應(yīng)速率都進(jìn)行計(jì)算。凈反應(yīng)速率取兩個(gè)速率中較小的。實(shí)際上，Arrhenius反應(yīng)速率作為一種動(dòng)力學(xué)開(kāi)關(guān)，阻止反應(yīng)在火焰穩(wěn)定器之前發(fā)生。一旦火焰被點(diǎn)燃，渦耗散速率通常會(huì)小于Arrhenius反應(yīng)速率，并且反應(yīng)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(yīng)機(jī)理（反應(yīng)數(shù)>2），但可能會(huì)產(chǎn)生不正確的結(jié)果。原因是多步反應(yīng)機(jī)理基于Arrhenius速率，每個(gè)反應(yīng)的都不一樣。在渦耗散模型中，每個(gè)反應(yīng)都有同樣的湍流速率，因而模型只能用于單步（反應(yīng)物產(chǎn)物）或是雙步（反應(yīng)物中間產(chǎn)物，中間產(chǎn)物產(chǎn)物）整體反應(yīng)。模型不能預(yù)測(cè)化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制的物質(zhì)，如活性物質(zhì)

14、。為合并湍流流動(dòng)中的多步化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理，使用EDC模型（下面介紹）。！渦耗散模型需要產(chǎn)物來(lái)啟動(dòng)反應(yīng)（見(jiàn)方程13.1-26）。當(dāng)你初始化求解的時(shí)候，F(xiàn)LUENT設(shè)置產(chǎn)物的質(zhì)量比率為0.01，通常足夠啟動(dòng)反應(yīng)。但是，如果你首先聚合一個(gè)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(yīng)區(qū)域中補(bǔ)入產(chǎn)物以啟動(dòng)反應(yīng)。詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)13.1.7節(jié)。LES的渦耗散模型當(dāng)使用LES湍流模型時(shí)，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(jì)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(kuò)展，以在湍流流動(dòng)中包括詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理148。它假定反應(yīng)發(fā)生

15、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(yùn)動(dòng)粘度認(rèn)為物質(zhì)在好的結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)間尺度后開(kāi)始反應(yīng)。其中為時(shí)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(yīng)器中，初始條件取為單元中當(dāng)前的物質(zhì)和溫度。反應(yīng)經(jīng)過(guò)時(shí)間尺度后開(kāi)始進(jìn)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(jìn)行數(shù)值積分45。經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)間的反應(yīng)后物質(zhì)狀態(tài)記為物質(zhì)的守恒方程13.1-1中的源項(xiàng)計(jì)算公式為：EDC模型能在湍流反應(yīng)流動(dòng)中合并詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。但是，典型的機(jī)理具有不同的剛性，它們

16、的數(shù)值積分計(jì)算開(kāi)銷很大。因而，只有在快速化學(xué)反應(yīng)假定無(wú)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(jī)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(jiàn)13.1.7節(jié)獲得使用EDC模型求解的指導(dǎo)。13.1.2 物質(zhì)輸送和反應(yīng)模擬輸入概覽設(shè)定涉及物質(zhì)輸送和反應(yīng)問(wèn)題的基本步驟如下，每一步的詳細(xì)執(zhí)行過(guò)程見(jiàn)13.1.3-13.1.5節(jié)。有關(guān)設(shè)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(yīng)，指定混合物材料。見(jiàn)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(yīng)，則

17、要打開(kāi)壁面和/或微粒表面反應(yīng)。細(xì)節(jié)見(jiàn)13.2和13.3節(jié)。3 檢查和/或定義混合物的屬性。（見(jiàn)13.1.4節(jié)）?；旌衔飳傩园ǎ簂 混合物中的物質(zhì)l 反應(yīng)l 其他物理屬性（如粘度、比熱）4 檢查和/或設(shè)置混合物中單個(gè)物質(zhì)的屬性（見(jiàn)13.1.4節(jié)）5 設(shè)置物質(zhì)邊界條件（見(jiàn)13.1.5節(jié)）在很多情況下，當(dāng)你選擇混合物材料是，求解器從材料數(shù)據(jù)庫(kù)中得到物質(zhì)性質(zhì)、反應(yīng)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(kù)中沒(méi)有定義。如果有任何性質(zhì)需要設(shè)置時(shí)，你將被警告，這樣你可以指定這些性質(zhì)的適當(dāng)值。你還可能希望檢查數(shù)據(jù)庫(kù)中這些性質(zhì)的值，以確定它們對(duì)你的應(yīng)用是否正確。修改已存在的混合物材料或從最開(kāi)

18、始創(chuàng)建一個(gè)新的材料的詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)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(xué)反應(yīng)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(gè)反應(yīng)流問(wèn)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(duì)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(duì)一些物質(zhì)的性質(zhì)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中存在一個(gè)溫度的分段多項(xiàng)式函數(shù)可供你使用。如果你知道更多適合于你的問(wèn)題的函數(shù)的話，你還可以選擇指定一個(gè)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(yīng)流動(dòng)的設(shè)置?；旌衔锊牧峡梢哉J(rèn)為是一組

19、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(duì)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(gè)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(wú)關(guān)的材料屬性（如吸收和輻射系數(shù)）l 一組反應(yīng)，包括反應(yīng)類型（有限速率，渦耗散等）和化學(xué)計(jì)量和速率常數(shù)混合物材料和流體材料都儲(chǔ)存在FLUENT的材料數(shù)據(jù)庫(kù)中。包括許多常見(jiàn)的混合物材料（如甲烷-空氣，丙烷-空氣）。通常，在數(shù)據(jù)庫(kù)中定義了一步/兩步反應(yīng)機(jī)理和大量混合物及其構(gòu)成物質(zhì)的屬性。當(dāng)你指定了你希望使用哪種混合物材料后，適當(dāng)?shù)幕旌衔锊牧?，流體

20、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(yù)定義的屬性。見(jiàn)7.1.2節(jié)了解有關(guān)FLUENT數(shù)據(jù)庫(kù)屬性數(shù)據(jù)源的信息。例如，如果你計(jì)劃模擬一種甲烷-空氣的燃燒，你不需要明確指定反應(yīng)中涉及的物質(zhì)和反應(yīng)本身。只需要簡(jiǎn)單地選擇甲烷-空氣作為使用的混合物材料，相關(guān)的物質(zhì)（CH4，O2，CO2，H2O和N2）和反應(yīng)數(shù)據(jù)將從數(shù)據(jù)庫(kù)裝入求解器。然后你可以檢查物質(zhì)、反應(yīng)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(gè)與組分、溫度相關(guān)的比熱，還可能希望將其它屬性定義為溫度和/或組

21、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(yù)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(jìn)行，在13.1.4節(jié)中講述。13.1.3 選定物質(zhì)輸送和反應(yīng)，并選擇混合物材料物質(zhì)輸送和容積反應(yīng)的問(wèn)題設(shè)置總物質(zhì)模型（Species Model）面板開(kāi)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(wèn)題中希望使用的混合物材料下

22、拉列表中將包括所有在當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)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(diǎn)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(shè)置你自己的混合物屬性的詳細(xì)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(xì)信息。當(dāng)選擇Mixture Material時(shí)，混合物中的Number of Volumetric Species將在面板中顯示，表達(dá)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(kāi)Species Model面板時(shí)，只有你的案例中可得

23、到的混合物材料才會(huì)顯示在列表中。你可以通過(guò)從數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)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(yīng)（如果有關(guān)）將自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中裝入。如果缺少任何信息，當(dāng)你點(diǎn)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(xué)反應(yīng)相互作用模型，可以使用四種模型：層流有限速率：只計(jì)算Arrhenius速率（見(jiàn)方程13.1-7），并忽略湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用。渦耗散模型

24、（針對(duì)湍流流動(dòng)）： 只計(jì)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(duì)湍流流動(dòng)）：計(jì)算Arrhenius速率和混合速率，并使用其中較小的一個(gè)。EDC模型（湍流流動(dòng)）：使用詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模擬湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用（見(jiàn)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(shí)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(xué)反應(yīng)計(jì)算的開(kāi)銷，你可以增加每次化學(xué)反應(yīng)更新的流動(dòng)迭代（Flow Iteration Per Chemistry Update）次數(shù)。缺省時(shí)，F(xiàn)LUENT每十次

25、流動(dòng)迭代更新化學(xué)反應(yīng)一次。6 （可選）如果你希望模擬完整的多組分?jǐn)U散或熱擴(kuò)散，打開(kāi)完整多組分?jǐn)U散或熱擴(kuò)散Full Multicomponent Diffusion 或Thermal Diffusion選項(xiàng)。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(lái)自數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)程檢查當(dāng)前的屬性、修改某些屬性或是設(shè)定一個(gè)你從頭開(kāi)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(shè)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

26、下的屬性輸入順序：1 定義混合物物質(zhì)和反應(yīng)，定義混合物物理屬性。記住在設(shè)定混合物材料屬性時(shí)點(diǎn)擊Change/Create按紐。2 定義混合物中物質(zhì)的物理屬性。記住在設(shè)定了每種物質(zhì)的屬性后點(diǎn)擊Change/Create按紐。所有這些步驟都在Materials面板中進(jìn)行，在本節(jié)中將詳細(xì)敘述。定義混合物中的物質(zhì)如果你使用數(shù)據(jù)庫(kù)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(shè)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

27、Materials list中選定。點(diǎn)擊Mixture Species右邊的Edit按紐打開(kāi)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(yīng)，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(lái)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(yīng)將在13.2節(jié)中敘述，微粒表面反應(yīng)的有關(guān)內(nèi)容見(jiàn)13.3節(jié)。！已選物質(zhì)Selected Species列表中物質(zhì)的順序非常重要。

28、FLUENT認(rèn)為列表中最后的物質(zhì)是大量的物質(zhì)。因此，當(dāng)你從混合物材料中增加或是刪除物質(zhì)時(shí)，必須小心將最豐富（按質(zhì)量）的物質(zhì)作為最后一個(gè)物質(zhì)。可獲得的物質(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?yàn)槿笔r(shí)，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(gè)混合物，或者從一種已存在的混合物開(kāi)始并增加一些缺少的物質(zhì)，你首先需要從數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)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(kù)中出現(xiàn)的話），以便在求解器中可以得到，增加物質(zhì)的過(guò)程在下面列出。（在開(kāi)始前你需要關(guān)閉Species面板，因?yàn)樗且粋€(gè)模式面板，不允許在它打開(kāi)的時(shí)

29、候做別的事）1 在Materials面板中，點(diǎn)擊Datebase按紐以打開(kāi)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(lái)看到正確的選擇列表。注意可獲得的固體物質(zhì)（對(duì)表面反應(yīng)）同樣也在流體列表中。！ 如果你在數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有見(jiàn)到你搜尋的物質(zhì)，可以創(chuàng)建對(duì)這種物質(zhì)創(chuàng)建一個(gè)新的流體材料，依造7.1.2節(jié)中的指導(dǎo)，然后繼續(xù)以下的第二步。2 再次打開(kāi)上面提到的Species面板。你將看到你從數(shù)據(jù)庫(kù)拷貝（或創(chuàng)建）的流體材料在Available Mat

30、erials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(diǎn)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(dòng)到Selected Species(或Selected Surface Species)列表的末尾。4 對(duì)所有希望的物質(zhì)重復(fù)上述步驟。結(jié)束后點(diǎn)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(gè)物質(zhì)是大量的物質(zhì)，并且你需要檢查你以前所設(shè)定的所有邊界條件，欠松弛

31、因子或其它求解參數(shù)，如詳細(xì)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(jiǎn)單地在Selected Species列表（或是Selected Surface Species列表）中選定它，并點(diǎn)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(gè)物質(zhì)是大量的物質(zhì)，并且你需要檢查你以前所設(shè)定的所有邊界條件，欠松弛因子或其它求解參數(shù)，如詳細(xì)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(yīng)該是），你需要重排物質(zhì)以得到正

32、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(dòng)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(shí)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(shí)還需要知道的一些考慮事項(xiàng)在這里給出。一種物質(zhì)有三個(gè)特征在供求解器識(shí)別：名字，化學(xué)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(huì)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)

33、的給定的化學(xué)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(shí)，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(shè)為缺省值。（其它流動(dòng)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(wèn)題的物質(zhì)邊界條件和求解參數(shù)。另外，你必須認(rèn)識(shí)到基于原來(lái)物質(zhì)順序給出的物質(zhì)濃度或是存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)文件中的濃度將會(huì)與新定義的問(wèn)題不匹配。你可以使用數(shù)據(jù)文件作為初始猜測(cè)值，但你必須知道數(shù)據(jù)文件中的物質(zhì)濃度將可能對(duì)新定義的模型提供一種不好的初始猜測(cè)。定義反應(yīng)如果你的FLUENT模型中涉及化學(xué)反應(yīng)，你可以接著定義參與的已定義物質(zhì)的反應(yīng)。這只有在你從頭開(kāi)始創(chuàng)建一種混合物、

34、修改了物質(zhì)或是出于某些其他原因希望重定義反應(yīng)時(shí)才是必須的。在Materials面板的Reaction下拉列表中顯示適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)機(jī)理，依賴于你在Species Model面板中選擇的湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用模型（見(jiàn)13.1.3節(jié)）。如果你使用層流有限速率或EDC模型，反應(yīng)機(jī)理將是有限速率的，如果你使用渦耗散模型，反應(yīng)機(jī)理將是渦耗散的；如果使用有限速率/渦耗散模型，反應(yīng)機(jī)理將是有限速率/渦耗散的。反應(yīng)定義的輸入為定義反應(yīng)，點(diǎn)擊Reaction右側(cè)的Edit按紐。將打開(kāi)Reaction面板（圖13.1.4）。定義反應(yīng)的步驟如下：1 在Total Number of Reaction區(qū)域中設(shè)定反應(yīng)數(shù)目（容

35、積反應(yīng)，壁面反應(yīng)和微粒表面反應(yīng)）（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(jì)劃使用表面燃燒的多表面反應(yīng)模型時(shí)，才必須在反應(yīng)數(shù)目中包括部分表面反應(yīng)（s）（如碳的燃燒，多樣碳粒氧化）2. 設(shè)定你希望定義的反應(yīng)的Reaction ID2. 如果是流體相反應(yīng)，保持缺省選項(xiàng)Volumetric作為反應(yīng)類型。如果是壁面反應(yīng)（在13.2節(jié)中描述）或者顆粒表面反應(yīng)（13.3節(jié)描述），選擇Wall Surface或Particle reaction 作為反應(yīng)類型。有關(guān)定義顆粒表面反應(yīng)的進(jìn)一步信息見(jiàn)13.3.2節(jié)。3 通過(guò)增加Number of Reactants和N

36、umber of Products的值指定反應(yīng)中涉及的反應(yīng)物和生成物的數(shù)量。在Species下拉列表中選擇每一種反應(yīng)物或生成物，然后在Stoich. Coefficient和Rate Exponent區(qū)域中設(shè)定它的化學(xué)計(jì)量系數(shù)和速率指數(shù)。（化學(xué)計(jì)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(yīng)可以在Reactions面板中處理。因此正確輸入每種反應(yīng)的參數(shù)非常重要。反應(yīng)的類型如下：l 整體正向反應(yīng)（無(wú)逆向反應(yīng)）：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(yīng)該為0。對(duì)于反應(yīng)物，設(shè)定速率指數(shù)（）為期望的值。如果某種反應(yīng)不是基元反應(yīng)，速率指數(shù)一般

37、不等于這種物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量系數(shù)。整體正向反應(yīng)的一個(gè)實(shí)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(yīng)。對(duì)于這些情況，設(shè)定產(chǎn)物速率指數(shù)（）為期望的值。這種反應(yīng)的一個(gè)例子是氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)（見(jiàn)DataBase Materials面板中的CO/空氣混合物材料），其中水的存在對(duì)反應(yīng)速率有影響：在氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)中，速率表達(dá)式可以定義為：l 可逆反應(yīng)：假定每種物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量系數(shù)等于速率指數(shù)，這種反應(yīng)的一個(gè)例子是SO2氧化為SO3：參見(jiàn)下面的第6步如何選定可逆反應(yīng)。4 如果你使

38、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(xué)反應(yīng)的相互作用，在Arrhenius Rate標(biāo)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(yīng)速率的單位，即mol/vol*time（如kgmol/m3-s）和方程13.1-5中容積反應(yīng)速率的單位，即質(zhì)量/容積-時(shí)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(huì)按公制單位輸入。這是因?yàn)楫?dāng)你使用英制單位時(shí)， FLUENT沒(méi)有對(duì)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?；罨埽ㄕ蛩俾食?shù)表達(dá)式中的常數(shù)，方程

39、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(yīng)速率中包括這種影響（即在方程13.1-7中包括），打開(kāi)Third Body Efficiencies選項(xiàng)，并點(diǎn)擊Specify按紐以打開(kāi)Reaction Parameters面板（圖13.1.5）。對(duì)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(xiàng)，除非你有這些參數(shù)的精確值。壓力依賴反應(yīng)（如果相關(guān)）如果你使用層流/有限速率，有限速率/渦耗散或是EDC模型模

40、擬湍流-化學(xué)反應(yīng)的相互作用，并且反應(yīng)是壓力下降反應(yīng)（見(jiàn)13.1.1節(jié)），打開(kāi)對(duì)于Arrhenius Rate的Pressure Dependent Reaction選項(xiàng)，并點(diǎn)擊Specify按紐以打開(kāi)Pressure Dependent Reaction面板（圖13.1.6）。欠松弛參數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)類型Reaction Type（Lindemann,Troe,Sri）。這三種方法的細(xì)節(jié)見(jiàn)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(diǎn)，通過(guò)在下拉列表中選擇適當(dāng)?shù)捻?xiàng)。在Reactions面板中Arrheni

41、us Rate下指定的參數(shù)表示高壓Arrhenius參數(shù)，但是你可以對(duì)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(gè)非常大的數(shù)，因此你需要這一項(xiàng)的自然對(duì)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(yīng)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(yīng)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

42、速率或是EDC模型模擬湍流-化學(xué)反應(yīng)的相互作用，且反應(yīng)是可逆的，則打開(kāi)對(duì)于Arrhenius Rate的Include Backward Reaction選項(xiàng)。當(dāng)選定這一選項(xiàng)時(shí)，你將不能編輯產(chǎn)物的Rate Exponent，這些值將被設(shè)定為與相應(yīng)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(yīng)，你將還需要指定標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)觴和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)焓，以在逆向反應(yīng)速率常數(shù)計(jì)算中使用（方程13.1-10）。注意可逆反應(yīng)選項(xiàng)對(duì)于渦耗散或有限速率/渦耗散湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用模型是不可獲得的。7如果你使用湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用的渦耗散或有限速率/渦耗散模型，你可以在Mixing

43、Rate標(biāo)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(jiǎn)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(dāng)一種物質(zhì)作為反應(yīng)物在反應(yīng)中出現(xiàn)時(shí)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(yàn)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(dāng)一種物質(zhì)作為產(chǎn)物在反應(yīng)中出現(xiàn)時(shí)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(yàn)值149。8對(duì)于每一種你需要定義的反應(yīng)重復(fù)步驟2-7。完成所有反應(yīng)后，點(diǎn)OK。定義燃料混合物的物質(zhì)和反應(yīng)經(jīng)常會(huì)遇到這種情況，燃燒系統(tǒng)中的燃料不能用一

44、種純物質(zhì)（例如CH4或C2H6）來(lái)描述）。復(fù)雜的烴類，包括燃料油乃至木材片），很難用這種純物質(zhì)來(lái)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(jià)的燃料物質(zhì)和等價(jià)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(kāi)始，或者從頭開(kāi)始創(chuàng)建一種物質(zhì)，并分配給它一個(gè)分子量100.04()?；瘜W(xué)反應(yīng)可以認(rèn)為是：你將需要對(duì)這一反應(yīng)設(shè)定適當(dāng)?shù)膕toichiometric系數(shù)。燃料物質(zhì)的燃燒熱（或標(biāo)準(zhǔn)焓）可以從已知的熱值計(jì)算得到，由于其中，是1

45、mol的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)焓。注意方程13.1-31的符號(hào)約定：當(dāng)反應(yīng)為放熱時(shí)，為負(fù)。定義混合物的物理屬性當(dāng)你的FLUENT模型包括化學(xué)物質(zhì)時(shí)，需要由你或數(shù)據(jù)庫(kù)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(lái)定義l 粘度，可以定義為組分的函數(shù)l 熱導(dǎo)率和比熱（在涉及求解能量方程的問(wèn)題中），你可以定義為組分的函數(shù)l 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)焓，如果你模擬可逆反應(yīng)這些屬性輸入的詳細(xì)介紹在第7章中提供。！包括一步和兩步的總包反應(yīng)機(jī)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(huì)導(dǎo)致溫度的過(guò)高預(yù)測(cè)。通過(guò)增加每種物質(zhì)的比熱容可以得到更理想的溫度場(chǎng)。Rose和Cooper252提供了一組關(guān)

46、于溫度的比熱多項(xiàng)式函數(shù)。每種物質(zhì)的比熱容可按下式計(jì)算：表13.1.1為修正的Cp多項(xiàng)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?jǐn)?shù)。另外，對(duì)于壓力出口，你需要指定出口處的物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)以在回流情況中使用。在壁面上，F(xiàn)LUENT將對(duì)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(yīng)（見(jiàn)13.2節(jié)）或是你選擇指定壁面上的物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)。求解器通過(guò)用1減去指定物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的和來(lái)計(jì)算最后一種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如果你需要明確指定最后一種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，你必須在列表中（Materi

47、als面板）記錄這種物質(zhì)，如13.1.4節(jié)所述。進(jìn)口處的擴(kuò)散，使用非耦合求解器正如13.1.1節(jié)中所提到的，當(dāng)使用非耦合求解器時(shí)，沒(méi)有指定入口處的物質(zhì)擴(kuò)散部分（因此也沒(méi)有凈入口輸送量）。在某些情況下，你可能希望通過(guò)你的計(jì)算區(qū)域入口的只有物質(zhì)的對(duì)流輸送。你可以通過(guò)取消進(jìn)口物質(zhì)擴(kuò)散做到這一點(diǎn)。在缺省狀態(tài)下，F(xiàn)LUENT在入口包括物質(zhì)的擴(kuò)散通量。為關(guān)閉入口擴(kuò)散，使用define/models/species-transport/inlet-diffusion? Text命令。13.1.6 定義化學(xué)物質(zhì)的其他源項(xiàng)你可以通過(guò)在Fluid面板中定義一個(gè)源項(xiàng)來(lái)在計(jì)算區(qū)域中定義一個(gè)化學(xué)物質(zhì)的源或是容器。當(dāng)你的

48、問(wèn)題中存在物質(zhì)源，但你又不希望通過(guò)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理來(lái)模擬它的時(shí)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(xiàng)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(xì)節(jié)見(jiàn)單獨(dú)的UDF手冊(cè)。13.1.7 化學(xué)混合和有限速率反應(yīng)的求解步驟盡管許多涉及化學(xué)物質(zhì)的模擬在求解過(guò)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(shù)會(huì)對(duì)加速收斂或提高更復(fù)雜模擬的穩(wěn)定性有所幫助。如果你的問(wèn)題涉及許多物質(zhì)和/或化學(xué)反應(yīng)，尤其是模擬燃燒流動(dòng)時(shí)，以下列出的技術(shù)可能特別重要。反應(yīng)流中的穩(wěn)定性和收斂在反應(yīng)流中獲得收斂解非常困難，有很多原因。首先，化學(xué)反應(yīng)對(duì)基本流型的影響

49、可能非常強(qiáng)烈，導(dǎo)致模型中質(zhì)量/動(dòng)量平衡和物質(zhì)輸運(yùn)方程的強(qiáng)烈耦合。在燃燒中，反應(yīng)導(dǎo)致大的熱量釋放和相應(yīng)的密度變化以及流動(dòng)中很大的加速度，上述耦合尤其明顯。但是，當(dāng)流動(dòng)屬性依賴于物質(zhì)濃度時(shí)，所有的反應(yīng)系統(tǒng)都具有一定程度的耦合。處理這些耦合問(wèn)題的最好方法是使用下面介紹的兩步求解過(guò)程及使用22.9節(jié)中介紹的欠松弛方法。反應(yīng)流中的第二個(gè)收斂問(wèn)題涉及反應(yīng)源項(xiàng)的強(qiáng)度。當(dāng)你的FLUENT模型涉及非常快的反應(yīng)速率（即比對(duì)流和擴(kuò)散速率快得多），物質(zhì)輸運(yùn)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(dāng)你定義涉及非?？斓膭?dòng)力速度的模型，尤其是這些速度描述可逆反應(yīng)或競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，這種系統(tǒng)得以創(chuàng)建。在渦耗散模型中，較

50、慢的湍流速率去除了非?？斓姆磻?yīng)速率。對(duì)非預(yù)混系統(tǒng)，反應(yīng)速率從模型中去除。對(duì)于層流化學(xué)反應(yīng)的剛性系統(tǒng)，推薦使用耦合求解器代替非耦合求解器。對(duì)湍流有限速率機(jī)理（可能是剛性的），推薦使用EDC模型，這一模型對(duì)化學(xué)反應(yīng)使用一個(gè)剛性的ODE積分器。求解剛性化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的其它指南見(jiàn)下述內(nèi)容。兩步求解過(guò)程（冷流動(dòng)模擬）將一個(gè)反應(yīng)流動(dòng)作為兩步過(guò)程求解對(duì)于獲得你的FLUENT問(wèn)題的穩(wěn)定收斂解是一個(gè)實(shí)用的方法。在這一過(guò)程中，你從求解不帶反應(yīng)的流動(dòng)、能量和物質(zhì)方程（“冷流動(dòng)”，或無(wú)反應(yīng)流動(dòng)）開(kāi)始。當(dāng)建立基本的流型后，你可以再選擇反應(yīng)，并重新開(kāi)始計(jì)算。冷流動(dòng)求解提供了燃燒系統(tǒng)計(jì)算的初始解。這種燃燒模擬的兩步方法可以采

51、用以下步驟完成：1 設(shè)定包括所有感興趣物質(zhì)和反應(yīng)的問(wèn)題2 通過(guò)關(guān)閉Species Model面板中的Volumetric Reactions選項(xiàng)暫時(shí)不選擇反應(yīng)計(jì)算3 關(guān)閉Solution Controls面板中的產(chǎn)物計(jì)算4 計(jì)算初始解（冷流動(dòng)）。（注意通常獲得完全收斂的冷流動(dòng)解沒(méi)有實(shí)際價(jià)值，除非你對(duì)無(wú)反應(yīng)解也有興趣）5 打開(kāi)Species Model面板中的Volumetric Reactions選項(xiàng)使能反應(yīng)計(jì)算6 打開(kāi)所有反應(yīng)。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(xué)反應(yīng)相互作用，你可能需要增添一個(gè)點(diǎn)火源（如下所述）。密度欠松弛燃燒模擬難以收斂的一個(gè)主要原因是溫

52、度的劇烈變化引起密度的劇烈變化，從而導(dǎo)師流動(dòng)求解的不穩(wěn)定性。當(dāng)你使用非耦合求解器時(shí)，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(wèn)題，你可以將這個(gè)值減少到0.5到1之間（在Solution Controls面板中）。燃燒模擬的點(diǎn)火如果你將燃料引入氧化劑，自發(fā)的點(diǎn)火不會(huì)發(fā)生，除非混合物的溫度超過(guò)了維持燃燒所需要的活化能閾值。這一物理問(wèn)題在FLUENT中也會(huì)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(xué)反應(yīng)相互作用，你將不得不提供一個(gè)點(diǎn)火源以啟動(dòng)燃燒。這個(gè)點(diǎn)火源可以是加熱的表面或溫度超過(guò)點(diǎn)火溫度的入口質(zhì)量流。但是，這常

53、常等同于一個(gè)火花：一個(gè)初始求解狀態(tài)使得燃燒可以進(jìn)行。你可以通過(guò)在FLUENT模型中一個(gè)包含有足夠燃料/空氣混合物以使點(diǎn)火能發(fā)生的區(qū)域給一個(gè)高的溫度，來(lái)提供這個(gè)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(diǎn)火。點(diǎn)火。這種補(bǔ)綴對(duì)于最終的穩(wěn)態(tài)解沒(méi)有影響不超過(guò)火柴的位置對(duì)它點(diǎn)燃的火炬最終流型的影響。綴入初始值的細(xì)節(jié)見(jiàn)22.13.2節(jié)。剛性層流化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的求解當(dāng)使用層流有限速率模型模擬層流反應(yīng)系統(tǒng)時(shí)，你可能需要在反應(yīng)機(jī)理是剛性的時(shí)候使用耦合求解器。（反應(yīng)流中的求解收斂 問(wèn)題見(jiàn)以上討論。注意你可以對(duì)湍流火焰使用層流有限速率模型，這表示忽略湍流-化學(xué)反應(yīng)的相互作用

54、。）另外，你可以通過(guò)使用stiff-chemistry 文本命令為耦合求解器提供進(jìn)一步的求解穩(wěn)定性。這一選項(xiàng)對(duì)于大Courant(CFL)數(shù)特例也適合，盡管需要額外的運(yùn)算來(lái)計(jì)算化學(xué)雅可比行列式的特征值258。當(dāng)你使能剛性化學(xué)反應(yīng)求解器時(shí)，你將會(huì)被詢問(wèn)指定下列參數(shù)：l 溫度的正性速率限制：以這個(gè)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(shí)間步長(zhǎng)減少因子：當(dāng)溫度變化過(guò)快時(shí)限制當(dāng)?shù)谻FL數(shù)。缺省值為0.25。l 最大允許時(shí)間步長(zhǎng)/化學(xué)反應(yīng)時(shí)間尺度的比值：當(dāng)化學(xué)反應(yīng)時(shí)間尺度（化學(xué)雅可比行列式的特征值）過(guò)大時(shí)限制當(dāng)?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(shí)例中都是可

55、用的。注意stiff-chemistry選項(xiàng)對(duì)非耦合求解器是沒(méi)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(jiàn)1.5節(jié)），以避免剛性機(jī)理中固有的大指數(shù)前因子和活化能產(chǎn)生的截?cái)嗾`差。由于EDC模型需要很大的計(jì)算開(kāi)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(jiǎn)單的單步或兩步放熱機(jī)理計(jì)算一個(gè)初始解。2 用適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)使能EDC化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。如果你有一個(gè)CHEMKIN112格式的機(jī)理，參見(jiàn)13.1.9如何將它導(dǎo)入。3 如果物質(zhì)的數(shù)目和反應(yīng)順序改變，你將需要改變物質(zhì)邊界條件。4 通過(guò)關(guān)閉Species Model面板中的V

56、olumetric Reaction選項(xiàng)暫時(shí)取消反應(yīng)計(jì)算。5在Solution Controls面板中只使能物質(zhì)方程的求解。6對(duì)物質(zhì)混合場(chǎng)計(jì)算一個(gè)解。7 打開(kāi)Species Model面板中的Volumetric Reaction選項(xiàng)，選定反應(yīng)計(jì)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(duì)復(fù)合了物質(zhì)和溫度的場(chǎng)計(jì)算一個(gè)解。如果火焰吹熄，你可能還需要補(bǔ)綴一個(gè)高溫區(qū)域。10 打開(kāi)所有方程。11 計(jì)算最終解。13.1.8 物質(zhì)計(jì)算的后處理FLUENT可以報(bào)告化學(xué)物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、摩爾分?jǐn)?shù)和摩爾濃度。你還可以顯示層流和有效質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)。物質(zhì)輸運(yùn)和反應(yīng)模擬的后處理可以得到以下變量：l 物質(zhì)n的質(zhì)量分?jǐn)?shù)l 物質(zhì)n的摩爾分?jǐn)?shù)l 物質(zhì)n的濃度l 物質(zhì)n的的層流擴(kuò)散系數(shù)l 物質(zhì)n的有效擴(kuò)散系數(shù)l 物質(zhì)n的的焓（僅對(duì)非耦合求解器）l 物質(zhì)n的源項(xiàng)（僅對(duì)非耦合求解器）l 物質(zhì)n的表面沉積速率（只對(duì)顆粒表面反應(yīng)計(jì)算）l 相對(duì)濕度l 時(shí)間步長(zhǎng)尺度（只對(duì)剛性化學(xué)反應(yīng)求解器）ll 反應(yīng)