大三能源1402化工計(jì)算機(jī)COMSOL作業(yè)

1、化工計(jì)算機(jī) COMSOL 作業(yè)2014011458能源 1402對(duì)于半徑 Ra=0.09m, 0.08m 的管式反應(yīng)器，保持進(jìn)口體積流量不變，重復(fù)上述過程的計(jì)算。1、對(duì)所計(jì)算問題的詳細(xì)描述。2、在 COMSOL中建立模型，對(duì)過程做說明。3、參照上例，完成數(shù)據(jù)處理。4、繪制 Ra 對(duì)轉(zhuǎn)化率影響的關(guān)系曲線。5、說明幾何尺寸、對(duì)傳熱、反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率的影響。要求：提交完整的 COMSOL mph 文件提交數(shù)據(jù)的分析結(jié)果（Word 文件、圖文并茂）說明為什么 COMSOL能求解上述過程，原理及方法。截止日期：2016 年 12 月 30 日 8:001、對(duì)所計(jì)算問題的詳細(xì)描述。反應(yīng)：A 是環(huán)氧丙烷，B

2、 水和 C 丙二醇，因?yàn)闉橐患?jí)反應(yīng)該系統(tǒng)從 2D 面上可以看出是一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱圖形，反應(yīng)器內(nèi)涉及：質(zhì)量平衡、熱平衡、流體的動(dòng)量平衡。對(duì)于質(zhì)量平衡和熱平衡：其中 Dpi 為擴(kuò)散系數(shù)，Ci 為濃度，U 為流速，Ra 為反應(yīng)器半徑，Ri 為反應(yīng)速率質(zhì)量平衡邊界條件：在（z=0）:在壁面(r=R)：為出口選擇的邊界條件表明對(duì)流占主導(dǎo)地位保持出口邊界打開對(duì)濃度沒有任何限制。出反應(yīng)堆。 因此，該條件在出口(z=L):（L 表示反應(yīng)器的長(zhǎng)度）對(duì)于能量守恒：其中 k 表示熱導(dǎo)率，T 是溫度，是密度，CP 表示熱容量和HRx 是反應(yīng)焓。能量平衡邊界條件：在（z=0）:在壁面(r=R)：(其中 Ta 表示冷卻夾套中

3、的恒定溫度)在能量出口處選擇邊界條件平衡使得其保持出口邊界打開。 此條件只設(shè)置一個(gè)限制，從反應(yīng)器輸出的熱量是對(duì)流的。在出口(z=L):現(xiàn)在列出模型的輸入數(shù)據(jù)。模型中的常數(shù)是：活化能，E = 75362J / mol頻率因子，A = 16.96E12 1 / hB 的熱導(dǎo)率，ke = 0.559W /（mK）總傳熱系數(shù)，Uk = 1300 W /（m2K）溫度，T0 = 312K冷卻液溫度，Ta0 = 273 K反應(yīng)熱，HRx，dHrx = -84666J / mol平均流體流量，u0 = 0.002m3/ s處的濃度 A，cA0 =rho_po_p / M_po *（1/9）mol /m3m3

4、濃度 B，cB0 = rho_w_p/ M_w *（7/9）mol /摩爾熱容量 B，cpm_B =74.5J /（molK）反應(yīng)器半徑，Ra = 0.1m反應(yīng)器長(zhǎng)度，L = 1mm3密度，A，rho_A=830kg /密度，B，rho_B=1000kg /m3m3密度，C，rho_C=1040kg /B 的參考動(dòng)力粘度（在 293K 下），myref_B = 1mPas物種 A 的轉(zhuǎn)化率:2、在 COMSOL面）中建立模型，對(duì)過程做說明。（不成功版，成功版見后1) 打開老師給的 mu1210.mph2) 將參數(shù)中的 Ra 改為 0.09m3) 右擊全局定義變量4) 在“模型開發(fā)器”窗口中，在

5、組件 1（comp1）下，單擊化學(xué)（chem）。在化學(xué)的設(shè)置窗口中，找到模型輸入部分。從 T 列表中，選擇溫度（ht）。5) 單擊展開混合物部分。 從混合物列表中，選擇液體。6) 單擊以展開“計(jì)算傳輸屬性”部分。 找到計(jì)算傳輸屬性部分。 選中計(jì)算混合物屬性復(fù)選框。7) 選擇“反應(yīng)”在公式文本字段中，鍵入 A + B = C。單擊應(yīng)用。8) 找到反應(yīng)速率部分。 從反應(yīng)速率列表中，選擇用戶定義。輸入：chem.kf_1*chem.c_A*1mol/m39) 找到速率常數(shù)部分。 選中使用 Arrhenius 表達(dá)式復(fù)選框。在 AF 輸入A * 1 m 3 / mol。在 EF 輸入 E10)找到“反

6、應(yīng)熱力學(xué)性能”部分。從熱源反應(yīng)列表，選擇用戶定義。在反應(yīng)熱源輸入-chem.r_1*dHrx。11)單擊“Species A”,找到“廣義參數(shù)”部分。在 M 文本字段中，鍵入 M_A。在文本字段中，鍵入 rho_A。12)單擊“Species B”，找到“廣義參數(shù)”部分。在 M 文本字段中，鍵入 M_B。在文本字段中，鍵入 rho_B。13)ke。單擊以展開“物質(zhì)傳遞表達(dá)式”部分。在k 文本字段中，鍵入14)單擊以展開物種熱力學(xué)表達(dá)式部分。在物質(zhì)焓列表中，選擇用戶定義。在 Cp 鍵入 cpm_B。15)單擊“Species C”，找到“廣義參數(shù)”部分。在 M 文本字段中，鍵入 M_C。在文本字

7、段中，鍵入 rho_C。16)在“模型構(gòu)建器”窗口中，單擊“化學(xué)”（chem）。在化學(xué)的設(shè)置窗口中，找到模型輸入濃度.(按照下圖輸入 B 的相關(guān)內(nèi)容)17)在化學(xué)的設(shè)置窗口中，找到計(jì)算傳遞屬性。在參考溫度的動(dòng)力粘度鍵入 myref_B。在參考溫度 T 輸入 Tref_my。18)選擇 tds（稀物質(zhì)），選擇 TransportProperties1(傳輸屬性1)找到“擴(kuò)散”部分。在 DcA輸入 chem.D_A。在 DcC 輸入 chem.D_C。19)選擇 Reactions1（反應(yīng) 1）僅選擇域 1。找到反應(yīng)速率部分。RcA選擇物種 A（chem）的速率表達(dá)式。RcC 選擇物種 C（che

8、m）的速率表達(dá)式。20)選擇“Inflow 1（流入）” 在“濃度”部分。c0，cA 輸入 cA0。在 c0，cC 輸入 0。21)選擇“Outflow 1（流出）” 僅選擇邊界 3。22)Transfer在”Heat Transfer in fluids(ht)”的設(shè)置窗口中選擇 Heatin fluids1（流體中的熱傳遞 1），在“流體中的熱傳遞的設(shè)置”窗口中，找到熱導(dǎo)率，液體部分。從 k 列表中，選擇熱導(dǎo)率（chem）；找到熱力學(xué)，流體部分。 從列表中，選擇 Density（chem）。從 Cp 列表中，選擇質(zhì)量平均混合物比熱（chem）。從列表中，選擇用戶定義。23)在”Heat T

9、ransfer in fluids(ht)”的設(shè)置窗口中選擇 InitialValues 1，在“初始值的設(shè)置”窗口中，找到“初始值”部分。在 T 文本字段中，鍵入 T0。24)在”Heat Transfer in fluids(ht)”的設(shè)置窗口中選擇 HeatSource.1，僅選擇域 1。在“熱源”的“設(shè)置”窗口中，找到“熱源”部分。從 Q0 列表，選擇熱源（chem）25)在 ”Heat Transfer in fluids(ht)” 的設(shè)置窗口中選擇Temperature 1，僅選擇邊界 2。在溫度的設(shè)置窗口中，找到溫度部分。在T0 文本字段，輸入 T0。26)在”Heat Tran

10、sfer in fluids(ht)”的設(shè)置窗口中選擇 HeatFlux 1，僅選擇邊界 4。在窗口中，找到熱通量部分。在 q0 輸入-Uk *（T-Ta0）。27)在 ”Heat Transfer in fluids(ht)” 的設(shè)置窗口中選擇Outflow1，僅選擇邊界 328)在 ” Laminar Flow (spf)” 的設(shè)置窗口中選擇 FluidProperties 1，在“流體屬性的設(shè)置”窗口中，找到“流體屬性”部分。從列表中，選擇 Density（chem）。從列表中，選擇動(dòng)態(tài)粘度（chem）。29)在” Laminar Flow (spf)”的設(shè)置窗口中選擇 Inlet 1,

11、找到“邊界條件”部分。從列表中選擇層流入。找到層流流入部分。 在 Uav 輸入 u0。30)擇邊界 3在” Laminar Flow (spf)”的設(shè)置窗口中選擇 Outflow1，僅選31)右鍵單擊“Mesh 1（ 網(wǎng)格 1）”并選擇。之后選擇“Mapped1”右擊分布，選擇“Distribution 1”僅選擇邊界 2 和 3。在“分布”的“設(shè)置”窗口中，找到“分布”部分。從“分布屬性”列表中，選擇“預(yù)定義分布類型”。在“單元數(shù)”輸入 50。在“單元細(xì)長(zhǎng)比”輸入 0.01。從分布方法列表中，選擇幾何序列。選中反向方向復(fù)選框。32)選擇“Distribution 2”僅選擇邊界 2 和 3。

12、在“分布”的“設(shè)置”窗口中，找到“分布”部分。從“分布屬性”列表中，選擇“預(yù)定義分布類型”。在“單元數(shù)”輸入 200。在“單元細(xì)長(zhǎng)比”輸入 0.01。從分布方法列表中，選擇幾何序列。選中反向方向復(fù)選框。33)在“模型構(gòu)建器”窗口中，右鍵單擊“網(wǎng)格 1”，然后選擇“全部構(gòu)建”。下圖顯示了創(chuàng)建的網(wǎng)格。34)選擇“study 1 ”，選擇計(jì)算35)選擇“Results”后，右擊“Data Sets”點(diǎn)擊“二維截線”在窗口中，找到“線數(shù)據(jù)”部分。在行點(diǎn) 2 中，將 r 設(shè)置為 Ra。選中“用點(diǎn)來界定”復(fù)選框。在“距離”輸入 0.5 * L 1 * L。36)選擇“Results”后，右擊“Data S

13、ets”點(diǎn)擊“二維鏡像”37)右擊“Data Sets”點(diǎn)擊“二維繪圖組 1”，從“數(shù)據(jù)集”列表中，選擇“二維鏡像 1”。從“標(biāo)題類型”列表中，選擇“手動(dòng)”。在“標(biāo)簽”輸入 Temperature，surface。找到繪圖設(shè)置部分。 選中 x 軸復(fù)選框輸入：Radial Location (m)。選中 y 軸(m)復(fù)選框。輸入 Axial Location38)右擊“二維繪圖組 1”，選擇“表面”，在“表面”的“設(shè)置”窗口中，單擊右上角的“替換表達(dá)式”的表達(dá)式部分。 從菜單中，選擇組分 1換熱流體溫度T - 溫度。單擊圖形按鈕。上的“縮放范圍”(老師，我按照 PDF 做到這兒就出問題了，上面的

14、內(nèi)容對(duì)應(yīng)的文件為“不成功版.mph”。我下面用了另一個(gè)簡(jiǎn)潔的方法再做了一次。)2、在 COMSOL中建立模型，對(duì)過程做說明。（成功版）（1）打開老師給的 mu1210.mph（2）在“全局定義”的參數(shù)內(nèi)，將 Ra 更改為：0.09（3）選擇“Component 1”“Geometry 1”點(diǎn)擊全部構(gòu)建（4）選擇“Study 1”點(diǎn)擊“計(jì)算”（5）選擇“Results”“Data Sets”右擊選擇“二維截線”選擇數(shù)據(jù)集“Study 1/Solution 1 (sol1)”,將點(diǎn) 2 的 r 改為 Ra,選定用點(diǎn)來界定，在距離內(nèi)輸入 0.5*L 1*L。之后選擇左上角“繪制”（6） 選擇“Res

15、ults”“Data Sets”右擊選擇“二維鏡像”（7） 選擇“Results”右擊二維繪圖組，選擇數(shù)據(jù)集“二維鏡像 1”，選擇繪制（8）右擊“二維繪圖組 1”表面，選擇數(shù)據(jù)集“二維鏡像 1”，表達(dá)式輸入 T，點(diǎn)擊繪制（9）選擇“Results”右擊一維繪圖組，選擇數(shù)據(jù)集“二維截線 1”，選擇繪制（10） 選擇“線圖”，將表達(dá)式改為 T同理將表達(dá)式改為 Xa,一維繪圖組 2、二維繪圖組 2同理將表達(dá)式改為 u,一維繪圖組 3、二維繪圖組 3同理Ra 為 0.11 0.08 時(shí)的值，具體可查看 Ra=0.09.mph、Ra=0.11.mph、Ra=0.08.mph 文件3、繪制 Ra 對(duì)轉(zhuǎn)化率

16、影響的關(guān)系曲線從三張一維 xA 圖中可以得到Ra=0.08 時(shí) xA=0.48882Ra=0.09 時(shí) xA=0.66917Ra=0.11 時(shí) xA=0.960034、說明幾何尺寸、對(duì)傳熱、反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率的影響幾何尺寸：從 xA -Ra 圖可以看出幾何尺寸越大，轉(zhuǎn)化率越高同樣從三張一維 T 圖可以看出幾何尺寸越大，傳熱效率越好。從三張一維 u 圖可以看得：幾何尺寸越大，反應(yīng)速率最大值越小。：當(dāng)加劇，即徑向混合加強(qiáng)，此時(shí)層流內(nèi)層變薄，傳熱效率更好，轉(zhuǎn)化率也更高，自然傳熱效率也更好。5、說明 comsol能求解上述過程，原理及方法答：COMSOL Multiphysics 是以有限元法為基礎(chǔ),通過求解偏微分方程（單場(chǎng)）或偏微分方程組（多場(chǎng)）來實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理現(xiàn)象的仿真,用數(shù)學(xué)方法求解真實(shí) 世界的物理現(xiàn)象,COMSOL Multiphysics 以高效的計(jì)算性能和杰出的多場(chǎng)雙向直接耦合分析能力實(shí)現(xiàn)了高度精確的數(shù)值仿真.目前已經(jīng)在聲學(xué)、生物科學(xué)、化學(xué)反應(yīng)、彌散、電磁學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)