物質(zhì)輸送和有限速率化學反應

1、第十三章物質(zhì)輸送和有限速率化學反響FLUENT可以通過求解描述每種組成物質(zhì)的對流、擴散和反響源的守恒方程來模擬混合和輸運，可以模擬多種同時發(fā)生的化學反響，反響可以是發(fā)生在大量相容積反響中，和/或是壁面、微粒的外表。包括反響或不包括反響的物質(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表達。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、反響進程變量的方法對預混系統(tǒng)，在15章介紹，或局部預混方法在16章介紹來模擬你的反響系統(tǒng)。見12章FLUENT中反響模擬方法的概述。本章中的分為以下章節(jié)：13.1容積反響13.2壁面外表反響和化學蒸汽沉積13.3微粒外表反響13.4無反響物

2、質(zhì)輸運13. 1容積反響與容積反響有關的物質(zhì)輸運和有限速率化學反響方面的信息在以下小節(jié)中給出:13.1.1 理論模擬物質(zhì)輸運和反響的用戶輸入概述使能物質(zhì)輸運和反響，并選擇混合物材料13.1.4 混合物和構(gòu)成物質(zhì)的屬性定義定義物質(zhì)的邊界條件定義化學物質(zhì)的其他源項化學混合和有限速率化學反響的求解過程物質(zhì)計算的后處理13.1.9 從CHEMKIN 導入一個化學反響機理理論物質(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i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：一.Y V "VYj - Jj Ri S 13.1-1 -t其中R是化學反響的凈

3、產(chǎn)生速率在本節(jié)稍后解釋，S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)，比方氧化物是空氣時的N2。層流中的質(zhì)量擴散在方程13.1-1中，Jj是物質(zhì)i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：()這里Dj,m是混合物中第i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

4、情況見 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：Ji Ei,m + 工、Y 其中Sc是湍流施密特數(shù), L 缺省設置值為 0.7 。Dt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).kLe =門，13.1-4；CpDi,m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

5、量組成，對耦合解算器，只包括對流局部。對流局部由你指定的物質(zhì)濃度確定。擴散局部依賴于計算得到的物質(zhì)濃度場。因此，擴散局部從而使凈輸送量不預先指定。見節(jié)有關指定入口凈輸送量的信息。反響建模的一般有限速率形式反響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，反響速率根據(jù)Arrhe nius公式確定。渦耗散模型：認為反響速率由湍流控制，因此避開了代價高昂的Arrhe nius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

6、的應用，包括層流或湍流反響系統(tǒng)，預混、非預混、局部預混燃燒系統(tǒng)都 適用。層流有限速率模型層流有限速率模型使用 Arrhe nius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 Arrhe nius化學動力學的高度非線性，這一模型一般不精確。對于化學反響相對緩 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)i的化學反響凈源項通過有其參加的Nr個化學反響的Arrhenius反響源的和計算得到。Nr其中Mwi是第i種物質(zhì)的分子量，Ri r為第i種物質(zhì)在第r個反響中的產(chǎn)生/分解速率。反響可能發(fā)生在 連續(xù)相反響的連續(xù)相之間，或是在外表沉積的壁面處，

7、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個反響：NNZ Vi,rM i luT 送 Vi,rMi 13.1-6i 4，r i 4其中N 系統(tǒng)中化學物質(zhì)數(shù)目；vi,r反響r中反響物i的化學計量系數(shù)；vi r反響r中生成物i的化學計量系數(shù)；Mi 第i種物質(zhì)的符號;kf,r反響r的正向速率常數(shù);kb,r反響r的逆向速率常數(shù)；方程13.1-6對于可逆和不可逆反響FLUENT中缺省為不可逆都適用。對于不可逆反響，逆向速率 常數(shù)kb,r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)，但只有作為反響物或生成物出現(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)將從方程中去除

8、。反響r中物質(zhì)i的產(chǎn)生/分解摩爾速度以如下公式給出：R =1 xi,r其中：Nr-/NrNr>%',r - 飛仃口 Cjj,r -kbjCj/jlr反響r的化學物質(zhì)數(shù)目；j丿Cj,r反響r中每種反響物或生成物j的摩爾濃度；1nj,r反響r中每種反響物或生成物j的正向反響速度指數(shù);nj ,r反響r中每種反響物或生成物j的逆向反響速度指數(shù);13.1-7見節(jié)有關輸入整體正向反響不可逆和單元反響可逆的化學計量系數(shù)和速率指數(shù)方面的 內(nèi)容。-表示第三體對反響速率的凈影響。這一項由下式給出：Nr=工九心j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。反響r的前向速率常數(shù) k

9、f r通過Arrhenius公式計算:其中，Ar 指數(shù)前因子恒定單位；'r 溫度指數(shù)無量綱；Er反響活化能J / kmol；R氣體常數(shù)J / kmol K你或者數(shù)據(jù)庫可以在fluent的問題定義中提供，、. r，打,j,r, r,Ar,Er，并可選擇提供j,r。如果反響是可逆的，逆向反響常數(shù)kb,r可以根據(jù)以下關系從正向反響常數(shù)計算:其中Kr為平衡常數(shù)，從下式計算:Kr/?NnRT丿其中Patm 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，其各局部按下式計算:.11=i 叫-心魯1=1其中S0和hi0是標準狀態(tài)的熵和標準狀態(tài)的焓生成熱。這些值在 FLUEN

10、T中作為混合物材料的屬性指定。壓力獨立反響“壓力下FLUENT可以用以下三種方法之一來表示壓力獨立反響或壓力下降反響的速率表達式。降反響是發(fā)生在 Arrhenius高壓和低壓限制之間的反響，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Lin dema nn 140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 k和低壓限制klow的

11、參數(shù)如下：k = AT叱 E冋(I3.M4)在任意壓力下，凈反響速率常數(shù)為：AnetF(13.1-16) 1 + p J其中pr定義為：介=土丄(13,1-17)M 1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,那么是Lin dema nn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,t/(logprn =0.75 - L27log/eiltd =0J4 13.1-19)f ： 1-20)i 12 1-21)cent.I 廣砒厲+址TE +右T"參數(shù),丁3,丁2,做為輸入確定。 在SRI方

12、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。求解過程指導見節(jié)。如果你有一個 CHEMKIN 形式的化學反響機理112，你可以將這一機理導入 FLUENT，如節(jié)。渦耗散模型大局部燃料快速燃燒。整體反響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響區(qū)，在反響區(qū)它們快速地燃燒。在預混火焰中，湍流對流/混合冷的反響物和熱的生成物進入反響區(qū)，在反響區(qū)迅速地發(fā)生反響。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響

13、動力學速率可以平安地忽略掉。FLUENT提供了湍流-化學反響相互作用模型，基于Magnussen和Hjertager149的工作，稱為渦耗散模型。反響r中物質(zhì)i的產(chǎn)生速率 R,r由下面兩個表達式中較小的一個給出:bkl-2Giwliere p is die iiuzuuf any product species： Pis till? iiifiss fmotion uf a partitularRis au eiiipitical coustmit equal to 4AJ13i、ancun>l；uit equal to 15在方程13.1-25和13.1-26中，化學反響速率由大渦混合

14、時間尺度k/ ；控制，如同Splading227的渦破碎模型一樣。只要湍流出現(xiàn)k/ ； 0，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，反響物一進入計算區(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反響速率都進行計算。凈反響速率取兩個速率中較小的。實際上，Arrhenius反響速率作為一種動力學開關，阻止反響在火焰穩(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反響速率，并且反響是混合限制的。!盡管FLUE

15、NT允許采用渦耗散模型和有限速率/渦耗散模型的多步反響機理反響數(shù) >2，但可能會產(chǎn)生不正確的結(jié)果。原因是多步反響機理基于Arrhenius速率，每個反響的都不一樣。在渦耗散模型中，每個反響都有同樣的湍流速率，因而模型只能用于單步反響物一產(chǎn)物或是雙步反響物一 中間產(chǎn)物，中間產(chǎn)物一產(chǎn)物整體反響。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)物來啟動反響見方程13.1-26 。當你初始化求解的時候， FLUENT設置產(chǎn)物的質(zhì)量比率為 0.01，通常足夠啟動反響。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

16、比率都為0,你可能必須在反響區(qū)域中補入產(chǎn)物以啟動反響。詳細內(nèi)容見節(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 速率替代。計算為：13.1- 25和13.1-26中的；/k 被亞網(wǎng)格尺度混合(13.k27,subgrid-Kcal'S mixing rate 卜 1) 扌(鬻+獸)=創(chuàng)畑掃rate tensor渦-耗散-概念EDC 模型以在湍流流動中包括詳細的化學反響機理148。它假渦-耗散-概念EDC模型是渦耗散模型的擴展,定反響發(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:(1.3J-26)其中*表示良好尺度數(shù)量,C -容積比率常數(shù)=2.13

17、77 ； 、.一一運動粘度認為物質(zhì)在好的結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過一個時間尺度后開始反響。其中C .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)生在定壓反響器中，初始條件取為單元中當前的物質(zhì)和溫度。反響經(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T*時間的反響后物質(zhì)狀態(tài)記為 Y"*物質(zhì)i的守恒方程13.1-1中的源項計算公式為:EDC模型能在湍流反響流動中合并詳細的化學反響機理。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，只有在快速化學反響假定無效的情況下

18、才能使用這一模型，例如在快速熄 滅火焰中緩慢的 CO燒盡、在選擇性非催化復原中的 NO轉(zhuǎn)化。推薦使用雙精度求解器以防止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。見節(jié)獲得使用EDC模型求解的指導。13.1.2 物質(zhì)輸送和反響模擬輸入概覽設定涉及物質(zhì)輸送和反響問題的根本步驟如下，每一步的詳細執(zhí)行過程見節(jié)。有關設定和求解的附加信息在 節(jié)中提供。1. 選定物質(zhì)輸送和容積反響，指定混合物材料。見節(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外表反響，那么要翻開壁面和/或微粒外表反響。細節(jié)見 13.2和13.3節(jié)。3. 檢查和/或定義混合物的屬性。見節(jié)?；旌衔飳傩园ǎ夯旌衔镏械奈镔|(zhì)

19、反響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 節(jié)5. 設置物質(zhì)邊界條件見 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)、反響等，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)立一個新的材料的詳細內(nèi)容見節(jié)?；旌衔锊牧系男薷陌ㄒ韵路矫妫何镔|(zhì)的添加和刪除改變化學反響 修改混合物的其他材料屬性 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響流問題，

20、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)輸送和反響流動的設置?；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)：一列本構(gòu)物質(zhì)，相對于“流體物質(zhì)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)得到如果希望屬性不

21、依賴組分，直接指定混合物屬性 其它與耽誤物質(zhì)無關的材料屬性如吸收和輻射系數(shù) 一組反響，包括反響類型有限速率，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 /兩步反響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，如果你方案模擬一種甲烷-

22、空氣的燃燒，你不需要明確指定反響中涉及的物質(zhì)和反響本身。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) CH4，02，C02, H20和N2和反響數(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)、反響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)立你自己的混合物材料。自定義混合物材料在Materials面板中進行，在節(jié)中講述。13.1.3 選定物質(zhì)輸送和反響，并選擇

23、混合物材料物質(zhì)輸送和容積反響的問題設置總物質(zhì)模型Species Model面板開始圖。| %竹門亡 |' Models Sppcips.OffA Spedoo TrMrBjport* -PrenifllMel CoiiibijifttitflWeitixtd CftiMbiutitih卡 Partial, Pi*¥xd C.inftiMiRead袖n呂F v«iM0tnicJ Wrdl SirfitrcPwt»d9 SurfutMixture J*nip&rtre®M論旳儲來IiicHiuic Air VmvNuimiicir Of Vd

24、oiiuu e trie Sped 5Tt|Fbulecv-Chc3話 l甲 liitfiriMiiuin* LwMM*r Fiiwte -HMev FiHilr-Rrdf： / FdlJ|i -CM IbwEdd叩 DifMpatim7 H>COptrmiF Wflusioiii Bwrgyi "WHivcfMil MuKceifeiiptiicnt DifFLtAitn_i Th#miaJ fiif4KCuictd豳Figure 13.1.1: 7 lie Specie Model Paoel1. 在 Model 下，選擇 Species Transport.2. 在 Re

25、action 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節(jié)修改已存在材料性質(zhì)的詳細信息。中選擇 Mixture Material 時，混合物中的 Num

26、ber 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，重新翻開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，如節(jié)所述，或是創(chuàng)立一個新的混合物，如節(jié)和節(jié)所述。正如在節(jié)中提到的，物質(zhì)輸送的模擬參數(shù)和反響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 Mode l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，如節(jié)所述。4. 選擇湍流-化學反響相互作用模型，可

27、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-化學反響相互作用。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：使用詳細的化學反響機理模擬湍流-化學反響相互作用見方程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C；和方程13.1-29中的C ,盡管通常推薦缺省值。此外，為減少化學反響計算的開銷，你可以增加每次化學反應更新的流動

28、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 化學反響一次。Full6. 可選如果你希望模擬完整的多組分擴散或熱擴散，翻開完整多組分擴散或熱擴散 Multicomponent Diffusion 或 Thermal Diffusion 選項。定義混合物的屬性和構(gòu)成物質(zhì)如節(jié)所討論的，如果你使用來自數(shù)據(jù)庫的混合物材料，大局部混合物和物質(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

29、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)和反響，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)中將詳細表達。| Define|血問$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)立你自己的材料或是 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,

30、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按紐翻開Species 面板圖 。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 或微粒外表反響，已選物質(zhì)Selected Species列表將顯示所有混合物中的外表物質(zhì)。外表物質(zhì)是那些從壁面邊界或是離散相微粒如Sis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)。外表物質(zhì)和壁面反 應將在13.2節(jié)中表達

31、，微粒外表反響的有關內(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。Figure 13,1,2: The Materials Pu)dh mixture material)Figtire 13.1.3: The Species Panel在混合物中增加物質(zhì)如果你從頭創(chuàng)立

32、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)立它們，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，不允許在它翻開的時候做別的事在Materials面板中，點擊 Datebase按紐以翻開 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

33、體物質(zhì) 對外表反響 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)立對這種物質(zhì)創(chuàng)立一個新的流體材料，依造7.1.2 節(jié)中的指導，然后繼續(xù)以下的第二步。2. 再次翻開上面提到的 Species面板。你將看到你從數(shù)據(jù)庫拷貝或創(chuàng)立的流體材料在 AvailableMaterials 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，以定義一種外表物質(zhì)的 Add按紐。這種 物質(zhì)將從 Available Materia

34、ls 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)，如詳細表達的那樣。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 Ma

35、terials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)，如詳細表達的那樣。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

36、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：你可以改變一種物質(zhì)的名字使用 Materials 面板，如 節(jié)所述，而不產(chǎn)生任何影響。 你不能改變一種物質(zhì)的給定的化學分子式。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

37、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)文件作為初始猜想值，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想。定義反響如果你的 FLUENT 模型中涉及化學反響， 你可以接著定義參與的已定義物質(zhì)的反響。 這只有在你從頭 開始創(chuàng)立一種混合物、修改了物質(zhì)或是出于某些其他原因希望重定義反響時才是必須的。在Materials面板的Reaction下拉列表中顯示適當?shù)姆错憴C理，依賴于你在 Species Model面板中選擇的湍流-化學反響相互作用模型 見節(jié)。如果你使用層流有限速率或 EDC模型，反響機理將是有限 速率的，如果

38、你使用渦耗散模型，反響機理將是渦耗散的；如果使用有限速率/渦耗散模型，反響機理將是有限速率/渦耗散的。反響定義的輸入為定義反響，點擊 Reaction右側(cè)的Edit按紐。將翻開 Reaction面板圖。定義反響的步驟如下：1. 在Total Number of Reaction區(qū)域中設定反響數(shù)目容積反響，壁面反響和微粒外表反響使用箭頭改變數(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，只有在你方案使用外表燃燒的多外表反響模型時，才必須 在反響數(shù)目中包括局部外表反響s如碳的燃燒，多樣碳粒氧化ll>S|JCCKStmch Fkilco27 單AM電軽 Stwr&f

39、frIRcjucInii TvtitCvellkicBl CflpvnenlStoich FideSp吐匚ir鼻£吧O|jh>2 V I 1h2c T 2<Arrheafiiis Rdlr斷涼打號$應曹IMll"Q£t«f 2(JAclivditni acriv2 沁釘TviiprfrJire離卩?的*«J hWfllAA» 出MlCVMd R昶tlUEJ Ttirdl Bod忡 BHiaeacifi t咒嚴 j鉗 |J Prraswi* *：!自i< Raictt 枷薊幣卜；CuedFigure 13.14: Th

40、e Reactions Panel2. 設定你希望定義的反響的 Reaction ID2.如果是流體相反響，保持缺省選項Volumetric作為反響類型。如果是壁面反響在 13.2節(jié)中描述或者顆粒外表反響13.3節(jié)描述，選擇 Wall Surface或Particle reaction作為反響類 型。有關定義顆粒外表反響的進一步信息見節(jié)。3. 通過增加Number of Reactants和Number of Products的值指定反響中涉及的反響物和生成物的數(shù)量。在Species下拉列表中選擇每一種反響物或生成物，然后在Stoich. Coefficient和Rate Exponent區(qū)域

41、中設定它的化學計量系數(shù)和速率指數(shù)?；瘜W計量系數(shù)是方程13.1-6中的常數(shù)i,r和速率指數(shù)是方程13.1-7中的常數(shù)nj,r和H。共有兩種普通類型的反響可以在Reactions面板中處理。因此正確輸入每種反響的參數(shù)非常重要。反響的類型如下：整體正向反響無逆向反響：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) H：,r 應該為0。對于反響物，設定速率指數(shù)打為期望的值。如果某種反響不是基元反響，速率指數(shù)一般不等于這種物質(zhì)的化學計量系數(shù)。整體正向反響的一個實例是甲烷的燃燒：CH4 + 2O2 CO2 + 2H2Owiel，c "右Hi = 1 j/ch4 =& = 2,= L3,臨

42、。么=1.f/co2 = /yH2o = 2、and 血o = 6圖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響。對于這些情況，設定產(chǎn)物速率指數(shù)j,r為期望的值。這種反響的一個例子是氣體轉(zhuǎn)換反響見DataBase Materials面板中的CO/空氣混合物材料，其中水的存在對反響速率有影響：'+ *2 + 112 X2 + 112在氣體轉(zhuǎn)換反響中，速率表達式可以定義為：/.CO3|V4ll2o72 horo i/co = I' f?co = 1、"h = 05

43、 仏=0丄乩t咚6 = 6 rHO =;?HaO = 05可逆反響：假定每種物質(zhì)的化學計量系數(shù)等于速率指數(shù)，這種反響的一個例子是SO2氧化為SO3:S2 + *6 =3wliere f/so2 = 11 f/so2 = X 吃2 = 0*5,論2 = 0 5、啜$ = 1" and 譙 s = L參見下面的第6步如何選定可逆反響。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-化學反響的相互作用，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)A 。A的單位必須指定為方程13.1-5中的反響速率

44、Rj,r的單位， 即mol/vol*time 如kgmol/m 3-s和方程13.1-5中容積反響速率的單位，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，F(xiàn)LUENT沒有對你的Ar輸入使用轉(zhuǎn)換因子，正確的轉(zhuǎn)換因子依賴于你的V：r , P r等輸入。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Yj,r。如果你有這一效率的精確值，并且希望在反響速率中包括這種影響即在方程 13.1-7中包括T,翻開 Third Body Efficiencies選項，并點擊 Specify按紐

45、以翻開 Reaction Parameters 面板圖 。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。壓力依賴反響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-化學反響的相互作用，并且反響是壓力下降反響見 節(jié)，翻開對于 Arrhenius Rate的PressureDependent Reaction 選項，并點擊 Specify按紐以翻開 Pressure Dependent Reaction 面板圖 13.1.6

46、。 欠松弛參數(shù)，選擇適當?shù)姆错戭愋蚏eaction Type Lin dema nn ,Troe,Sri 。這三種方法的細節(jié)見節(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?。Reaction ParainetersThird-bod vSpecies EfficiencyOKCancelHelpFigure 13. L5: rFhc Reaction Parameters Panel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

47、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Aow ,指數(shù)前因子Alow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Elow 溫度指數(shù)方程13.1-15中的：low 如果你選擇 Troe作為反響類型，你可以在Troe Parameter下指定Alpha,T1,T2,T3的值方程13.1-22中的a , T， T2和T3。如果你選擇 SRI反響類型，你可以在SRI Parameter下指定a,b,c,d,e的值方程13.1- 22 中的 a，b，c，d 和 e。Figure 13.l.G

48、: The Pressure-Dependent Reaction Panel6如果你使用層流/有限速率或是 EDC模型模擬湍流-化學反響的相互作用，且反響是可逆的，那么翻開 對于 Arrhenius Rate的Include Backward Reaction選項。中選定這一選項時，你將不能編輯產(chǎn)物的RateExponent，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響，你將還需要指定標準狀態(tài)觴和標準狀態(tài)焓，以在逆向反響速率常數(shù)計算中使用方 程13.1-10 。注意可逆反響選項對于渦耗散或有限速率/渦耗散湍流-化學反響相互作用

49、模型是不可獲得的。7 如果你使用湍流-化學反響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)作為反響物在反響中出現(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)物在反響中出現(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

50、的反響重復步驟2-7。完成所有反響后，點0K。定義燃料混合物的物質(zhì)和反響經(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)立一種物質(zhì)，并分配給它一個分子量100.044.17 126 12.75 16?；瘜W反響可以認

51、為是：44762,75 + L2! 1502 卞 4.1 7 2 4- :HI2°你將需要對這一反響設定適當?shù)膕toichiometric系數(shù)。燃料物質(zhì)的燃燒熱或標準焓可以從的熱值.H計算得到，由于NA7/=£/ <r-<r 13其中，是1mol的標準狀態(tài)焓。注意方程 13.1-31的符號約定：當反響為放熱時， H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： 密度，可以用氣體定律或作為組分比容的函數(shù)來定義 粘度，可以定義為組分的函數(shù) 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)標

52、準狀態(tài)焓，如果你模擬可逆反響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響機理不可防止地忽略中間物質(zhì)。在高溫火焰中，忽略這些別離物質(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：mepT=工屮13.1-32k=o表為修正的Cp多項式系數(shù)Eable 13.1.1: Modified Cp Polynomial Cocflicicnts |252Cl 14C<)n2"0 心 Q2"41.02705c 1 03l.lfilS2e-02

53、148638e-01丄-小121。(爪203-6.81428e-01r08539c-03-4.71368e-068.51317e-10L01669c | H3l.MiZm1115,39904e-01-3.01061e-075.050 J sc- 111.4117e4 0J.73 72o-01COaH2OO21ri25-35446+ 021,27>；67c+U0 i一04-2/22 lc-071 r89204e-101.93780e+031.180TT(? + 003.6435徒-03*2.( Wir59578c-10>.7H3|7e+021.22S2Sc-Hl-1.20247e-0

54、81.1 17110-09-5.123770-138.56597e-1713.1.5 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)在壁面上定義了外表反響見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)

55、，如節(jié)所述。進口處的擴散，使用非耦合求解器正如節(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)擴散局部因此也沒有凈 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響機理來模擬它的時候，可以選擇這一方法。6.