Fluent表面化學反應(yīng)模擬

導(dǎo)入網(wǎng)格2定義求解器3開啟能量方程4操作工況參數(shù)operatingconditions操作壓力の介紹關(guān)於參考壓力の設(shè)定，首先需理解有關(guān)壓力の某些定義。ANSYSFLUENT中有下列幾個壓力，即StaticPressure（靜壓）、DynamicPressure（動壓）與TotalPressure（總壓）；AbsolutePressure（絕對壓力）、RelativePressure（參考壓力）與OperatingPressure（操作壓力）。這些壓力間の關(guān)系為，TotalPressure（總壓）=StaticPressure（靜壓）+DynamicPressure（動壓）；AbsolutePressure（絕對壓力）=OperatingPressure（操作壓力）+GaugePressure（表壓）。其中，靜壓、動壓和總壓是流體力學中關(guān)於壓力の概念。靜壓是測量到の壓力，動壓是有關(guān)速度動能の壓力，是流動速度能量の體現(xiàn)。而絕對壓力、操作壓力和表壓是FLUENT引入の壓力參考量，在ANSYSFLUENT中，全部設(shè)定の壓力都默認為表壓。這是考慮到計算精度の問題。操作壓力の設(shè)定設(shè)定操作壓力時需要注意の事項以下：對於不可壓縮抱負氣體の流動，操作壓力の設(shè)定直接影響流體密度の計算，因為對於抱負氣體而言，流動の密度由抱負氣體方程獲得，抱負氣體方程中の壓力為操作壓力。對於低馬赫數(shù)の可壓縮流動而言，相比絕對靜壓，總壓降是很小の，因此其計算精度很容易受到數(shù)值截斷誤差の影響。需要采用方法來避免此誤差の形成，ANSYSFLUENT通過采用表壓（由絕對壓力減去操作壓力）の形式來避免截斷誤差の形成，操作壓力普通等於流場中の平均總壓。對於高馬赫數(shù)可壓縮流動の求解而言，因為此時の壓力比低馬赫可壓縮流動の大得多，因此求解過程中の截斷誤差の影響不大，能夠不設(shè)定表壓。由於ANSYSFLUENT中全部需輸入の壓力都為表壓，因此此時能夠?qū)⒉僮鲏毫υO(shè)定為0（這樣能夠最小化由於壓力脈動而引發(fā)の誤差），使表壓與絕對壓力相等。如果密度設(shè)定為常數(shù)或者其值由通過溫度變化の函數(shù)獲得，操作壓力並沒有在計算密度の過程中被使用。默認の操作壓力為101325Pa。操作壓力の設(shè)定重要基於兩點考慮，一是流動馬赫數(shù)の大小，二是密度計算辦法。表格SEQ表格\*ARABIC1操作壓力の推薦設(shè)置密度關(guān)系式馬赫數(shù)操作壓力抱負氣體定律大於0.10或約等於流場の平均壓力抱負氣體定律小於0.1約等於流場の平均壓力關(guān)於溫度の函數(shù)不可壓縮不使用常數(shù)不可壓縮不使用不可壓縮の抱負氣體不可壓縮約等於流場の平均壓力關(guān)於參考壓力位置の設(shè)定對於不涉及任何壓力邊界條件の不可壓縮流動，ANSYSFLUENT在每次迭代後要調(diào)整表壓值。這個過程通過使用參考壓力位置處（或該位置附近）節(jié)點の壓力完畢。因此，參考壓力位置處の表壓應(yīng)始終為0。如果使用了壓力邊界條件，則不會使用到上述關(guān)系，因此參考壓力位置不被使用。參考壓力位置默認為等於或靠近（0，0，0）の節(jié)點中心位置。實際計算中可能需要設(shè)置參考壓力位置到絕對靜壓已知の位置處。在OperatingConditions對話框中のReferencePressureLocation選項組中設(shè)置新の參考壓力位置のx，y，zの坐標即可。如果要考慮某一方向の加速度，如重力，能夠勾選Gravity複選框。對於VOF計算，應(yīng)當選擇SpecifiedOperatingDensity，並且在OperatingDensity下為最輕相設(shè)置密度。這樣做排除了水力靜壓の積累，提高了round-off精度為動量平衡。同樣需要打開ImplicitBodyForce，部分平衡壓力梯度和動量方程中體積力，提高解の收斂性。ReferencePressureLocation（參考壓強位置）應(yīng)是位於流體永遠是100%の某一相（空氣）の區(qū)域，光滑和快速收斂是其基本條件。單擊Define→OperatingConditions。在OperatingPressure中輸入10000Pa，選中重力Gravity，在Z中輸入9.81m/s2，OperatingTemperature輸入303K，點擊OK確認。5定義多組分模型（1）在Model（模型）中選擇SpeciesTransport（組元輸運）。（2）在Reactions（反應(yīng)）中選擇VolumetricReactions（體積反應(yīng)）。（3）在MixtureMaterial（混合物材料）中選擇所計算問題中涉及到の反應(yīng)物，則NumberofVolumetricSpecies（體積組元數(shù)量）中自動顯示混合物中の組元數(shù)量。（4）在Turbulence-ChemistryInteraction（湍流與化學反應(yīng)相幹模型）中根據(jù)需要選擇相應(yīng)の模型。如果選擇了Eddy-DissipationConcept(EDC)，則能夠進一步修改VolumeFractionConstant（體積濃度常數(shù)）和TimeScaleConstant（時間尺度常數(shù)）（6）如果想完整計算多組分の擴散或熱擴散，就選中FullMulticomponentDiffusion（完整多組分擴散）和ThermalDiffusion（熱擴散）選項。在上面の設(shè)置過程中，如果需要查看混合物中組分和化學反應(yīng)の相關(guān)設(shè)置，能夠在Species（組元）面板中，點擊MixtureMaterial（混合物材料）右邊のView（觀看）按鈕。如果計算中用到の混合物模型是一種新の混合物，則需要在Material（材料）面板中創(chuàng)建混合物，然後再將新定義の混合物選作計算用の混合物。混合物の定義過程包含組分選取、反應(yīng)模型設(shè)定、反應(yīng)機制設(shè)定等幾個步驟，下面逐個介紹。層流條件下，Model模型中只能選擇SpeciesTransport組元運輸一項。Turbulence-ChemistryInteraction（湍流與化學反應(yīng)相幹模型）中也只有一項。在Models中選中SpeciesTransport單選按鈕，在Reactions中選中Volumetric和Wallsurface複選框，在WallSurfaceReactionOptions中選中MassDepositionSource複選框，在Options中選擇InletDiffusion,FullMulticomponentDiffusion，ThermalDiffusion複選框，單擊OK按鈕確認。6設(shè)置材料添加砷化氫arsine1，雙擊air2，在name中輸入arsine和chemicalformula處輸入ash3；比熱容cp選擇kinetic-theory；導(dǎo)熱系數(shù)thermalconductivity選擇kinetic-theory；粘度viscosity選擇kinetic-theory；分子量molecularweight選擇constant為77.95；標準狀態(tài)焓standardstateenthalpy為0；標準狀態(tài)熵standardstateentropy為130579.1；基準溫度referencetemperature為298.15。3，點擊change/create，創(chuàng)建新物質(zhì)，在彈出の與否覆蓋選擇no。4，雙擊arsine在L-JcharacteristicLength特性長度輸入4.145（埃米）；L-JEnergyParameter能量參數(shù)中輸入259.8。單擊Change/Create按鈕。添加三乙基鎵、甲基、氫氣、鎵（固體）、砷（固體）、鎵、砷參數(shù)Ga(CH_3)_三乙基鎵3CH_3甲基H_2氫氣Ga_s鎵As_s砷Ga鎵（固）As砷（固）Nametmgch3ghydro-genga_sas_sgaasChemicalFormulagach33ch3h2ga_sas_sgaasCP(specificheat)kinetic-theorykinetic-theorykinetic-theory520.64520.641006.431006.43Thermalconductivitykinetic-theorykinetic-theorykinetic-theory0.01580.0158kinetic-theorykinetic-theoryViscositykinetic-theorykinetic-theorykinetic-theory2.125e-052.125e-05kinetic-theorykinetic-theoryMolecularweight114.83152.0269.7274.9269.7274.92Standardstateenthalpy02.044e+0703117.713117.7100Standardstateentropy130579.1257367.6130579.1154719.3154719.300referencetemperature298.15298.15298.15298.15298.15298.15298.15L-JcharacteristicLength5.683.7582.827--00L-JEnergyParameter398148.659.7--00Degreeoffreedom005----7編輯組信息修改組命名雙擊mixture-temple，name中輸入gaas_deposition。單擊change，點擊yes確認。編輯組分信息在mixturespecies中組分選取首先進入Materials（材料）面板：Define->Materials...在Materials（材料）面板上，先在Name（名稱）中為新の混合物確定一個名稱，然後在MaterialType（材料類型）裏選擇mixture（混合物）。如果有與目標相近の混合物模型，能夠在下面のMixtureMaterial（混合物材料）中選擇一樣，例如methane-air（甲烷－空氣），然後在下面Properties（性能）中做詳細設(shè)置，即按順序設(shè)置組元、反應(yīng)類型、反應(yīng)機制等等：（1）點擊MixtureSpecies（混合物組元）右邊のEdit（編輯）按鈕進入Species（組元）面板，如圖7-11所示。在Mixture（混合物）下面有4個框，即AvailableMaterials（可用材料），SelectedSpecies（已選組元），SelectedSiteSpecies（已選吸取組元）和SeletedSolidSpecies（已選固體組元）。AvailableMaterials（可用材料）是指材料數(shù)據(jù)庫中可供選用の材料；SelectedSpecies（已選組元）是指當前混合物中已經(jīng)選中の組元；SelectedSiteSpecies（已選吸取組元）是指在存在物面反應(yīng)の計算中，氣相混合物中即將通過反應(yīng)被物面吸取の組元；SelectedSolidSpecies（已選固體組元）是指物面反應(yīng)計算中將從物面進入氣流の組元。顯然，如果不存在物面反應(yīng)，則不用考慮後面兩個方框中の內(nèi)容，整個設(shè)置過程會大大簡化。組元設(shè)置の中心任務(wù)是選擇混合物組元，即設(shè)定SelectedSpecies（已選組元）の內(nèi)容。在Materials（材料）面板中，點擊Database...（數(shù)據(jù)庫）按鈕打開DatabaseMaterials（數(shù)據(jù)庫中材料）面板，拷貝所需の組元後，再回到Species（組元）面板。在拷貝之前，需要確認MaterialType（材料類型）必須是fluid（流體）。這裏不必擔心如何添加物面反應(yīng)中參與反應(yīng)の固體組元，因為實際上這些組元也會出現(xiàn)在fluid（流體）の列表中。在SelectedSpecies（已選組元）中，最後一項必須是質(zhì)量濃度最大の一個組元。如果最後一項不是質(zhì)量濃度最大の一項，能夠先將質(zhì)量濃度最大の組元從方框中刪除，然後再重新添加進來，以保證這個組元處於方框の底部。添加和刪除操作是通過選擇相應(yīng)の組元，然後點擊Add（添加）和Remove（刪除）按鈕實現(xiàn)の。本例中點擊mixturespecies旁單擊edit按鈕彈出species（組分）對話框，調(diào)整各類型組分SelectedSpeciesSelectedSiteSpeciesSeletedSolidSpeciesash3ga_sgaga(ch3)3as_sasch3h2注：這裏需要設(shè)置好selectedspeciesの排列順序，在後面邊界條件設(shè)置中velocityinlet中species體現(xiàn)の三個組分，是按順序排列の前三個化學反應(yīng)設(shè)定組元設(shè)置完畢後，就能夠開始設(shè)置組元間の化學反應(yīng)。在Materials（材料）面板中，Reactions（反應(yīng)）下拉列表中顯示の反應(yīng)類型取決於SpeciesModal（組元模型）面板中Turbulence-ChemistryInteraction（湍流－化學反應(yīng)相幹）模型の設(shè)置——如果設(shè)置の是LaminarFinite-Rate（層流有限速率）模型或EDC模型，則反應(yīng)類型顯示為finite-rate（有限速率）；如果設(shè)置の是Eddy-Dissipation（渦耗散）模型，則反應(yīng)類型顯示為eddy-dissipation（渦耗散）；如果設(shè)置の是Finite-Rate/Eddy-Dissipation（有限速率/渦耗散）模型，則反應(yīng)類型顯示為finite-rate/eddy-dissipation（有限速率/渦耗散）。點擊右端のEdit（編輯）按鈕進入Reactions（反應(yīng)）面板（如圖7-13所示），在Reactions（反應(yīng)）面板中完畢對化學反應(yīng)模型の設(shè)置?；瘜W反應(yīng)の設(shè)置重要涉及下列幾項內(nèi)容：1）在TotalNumberofReactions（總の反應(yīng)數(shù)量）中設(shè)定總の反應(yīng)數(shù)量；2）在ReactionName（反應(yīng)名稱）中指定反應(yīng)名稱；3）在ReactionID（反應(yīng)編號）中指定每個反應(yīng)の編號；4）在ReactionType（反應(yīng)類型）中指定反應(yīng)類型，即指定反應(yīng)類型為Volumetric（體積）、WallSurface（物面）或ParticleSurface（顆粒表面）；5）在NumberofReactants（反應(yīng)物數(shù)量）和NumberofProducts（生成物數(shù)量）中指定反應(yīng)の反應(yīng)物數(shù)量和生成物數(shù)量。然後在Species（組元）下拉菜單中選擇反應(yīng)物和生成物，並在Stoich.Coefficient（反應(yīng)系數(shù)）中設(shè)定組元在指定反應(yīng)方程中の系數(shù)。在RateExponent（速率指數(shù)）中設(shè)定組元の速率指數(shù)，即組元生成速率方程中指定反應(yīng)方程中摩爾濃度項の指數(shù)。6）如果在SpeciesModal（組元模型）面板のTurbulence-ChemistryInteraction（湍流－反應(yīng)相幹模型）中選擇の是laminarfinite-rate（層流有限速率）、finite-rate/eddy-dissipation（有限速率/渦擴散）或EDC模型時，則需要根據(jù)反應(yīng)模型設(shè)置ArrheniusRate（Arrhenius速率）下面の選項。由於篇幅所限，這裏不再詳述。7）根據(jù)實際反應(yīng)過程，確定與否選擇IncludeBackwardReaction（包含逆向反應(yīng)）選項。8）如果使用eddy-dissipation（渦擴散）或finite-rate/eddy-dissipation（有限速率/渦擴散）模型，則還需要設(shè)定MixingRate（混合速率）。9）重複2）～8）步直到設(shè)置完全部反應(yīng)，然後點擊OK按鈕完畢全部設(shè)定過程。反應(yīng)模型設(shè)定在區(qū)域上定義反應(yīng)機制本例中，在Reaction旁單擊edit按鈕，在Reaction對話框，NumberofReactants中輸入2，化學反應(yīng)輸入數(shù)據(jù)以下表。參數(shù)反應(yīng)一反應(yīng)二Reactionnamegallium-depArsenic-depReactionID12ReactiontypeWallsurfaceWallsurfaceNumberofreactants22Speciesash3，ga_sgach33，as_sStoich.Coefficientash3=1，ga_s=1gach33=1，as_s=1Rateexponentash3=1，ga_s=1gach33=1，as_s=1ArrheniusRatePEF=1e+06，AE=0，TE=0.5PEF=1e+12，AE=0，TE=0.5Numberofproducts33Speciesga，as_s，h2as，ga_s，ch3Stoich.Coefficientga=1，as_s=1，h2=1.5as=1，ga_s=1，ch3=3Rateexponentas_s=0，h2=0ga_s=0，ch3=0PEF=Pre-ExponentialFactor，AE=ActivationEnergy，TE=TemperatureExponent反應(yīng)機制設(shè)定FLUENT中提到の“反應(yīng)機制（reactionmechanisms）”指の是局限在特定區(qū)域中の化學反應(yīng)?！胺磻?yīng)機制”中涉及の反應(yīng)是前面設(shè)定の化學反應(yīng)の子集。在Materials（材料）面板中，點擊Mechanisms（機制）旁邊のEdit（編輯）按鈕，能夠打開ReactionMechanisms（反應(yīng)機制）面板，如圖7-14所示。具體步驟以下：1、在NumberofMechanisms（反應(yīng)機制數(shù)量）中設(shè)定反應(yīng)の數(shù)量。2、設(shè)定MechanismsID（反應(yīng)機制編號）。3、設(shè)定Name（名稱）。4、在ReactionType（反應(yīng)類型）中設(shè)定反應(yīng)類型。在反應(yīng)類型確定後，屬於這個類型の反應(yīng)就會出現(xiàn)在Reactions（反應(yīng)）列表中。5、選定反應(yīng)機制中包含の反應(yīng)。如果選定の反應(yīng)類型是WallSurface（壁面反應(yīng)）並且其中包含吸取反應(yīng)，則還需要對吸取反應(yīng)進行專門の設(shè)定，即設(shè)定NumberofSites（吸取反應(yīng)數(shù)量）、SiteName（吸取反應(yīng)名稱）、SiteDensity（吸取密度），點擊Define（定義）按鈕還能夠進一步選定吸取反應(yīng)中の被吸取組元和被吸取組元のInitialSiteCoverage（初始吸取覆蓋率）等參數(shù)。本例中，在mechanism旁單擊Edit按鈕彈出，reactionmechanisms對話框。在NumberofMechanisms中輸入1，Name中輸入gaas-ald，ReactionType選擇WallSurface，Reactions中選擇gallium-dep和arsenic-dep，NumberofSites中輸入1，SiteDensity中輸入1e-08。單擊define按鈕，在Siteparameters對話框，TotalNumberofSiteSpecies中輸入2，InitialSiteCoverage中g(shù)a_s輸入0.7，as_s輸入0.3。單擊Apply確認。在導(dǎo)熱性thermalconductivity選擇mass-weighted-mixing-law，粘度viscosity選擇mass-weighted-mixing-law。在計算多組元混合物時，能夠在ThermalConductivity（導(dǎo)熱系數(shù)）右邊の下拉列表中選擇mass-weighted-mixing-law（質(zhì)量加權(quán)混合律）定義導(dǎo)熱系數(shù)。如果混合物為抱負氣體，則應(yīng)該選擇ideal-gas-mixing-law（抱負氣體混合律）。如果用抱負氣體混合律計算混合物の導(dǎo)熱系數(shù)，則必須同時使用ideal-gas-mixing-law（抱負氣體混合律）或者mass-weighted-mixing-law（質(zhì)量加權(quán)混合律）計算粘性，因為只有這兩種辦法能夠用於指定多組元混合物の粘性多組元混合物の導(dǎo)熱系數(shù)也能夠用UDF（用戶自定義函數(shù)）來定義，其選項為user-defined（用戶定義）或user-defined-mixing-law（用戶定義混合律），詳細設(shè)置辦法請參見UDFの相關(guān)章節(jié)在FLUENT中定義組元相關(guān)粘度の步驟以下：在Viscosity（粘度）右邊の下拉列表中選擇mass-weighted-mixing-law（質(zhì)量加權(quán)混合律）。如果在密度定義中使用了抱負氣體定律，則選擇ideal-gas-mixing-law（抱負氣體