Fluent表面化學(xué)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?jí)毫Δ卧O(shè)定，首先需理解有關(guān)壓力の某些定義。ANSYSFLUENT中有下列幾個(gè)壓力，即StaticPressure（靜壓）、DynamicPressure（動(dòng)壓）與TotalPressure（總壓）；AbsolutePressure（絕對(duì)壓力）、RelativePressure（參考?jí)毫Γ┡cOperatingPressure（操作壓力）。這些壓力間の關(guān)系為，TotalPressure（總壓）=StaticPressure（靜壓）+DynamicPressure（動(dòng)壓）；AbsolutePressure（絕對(duì)壓力）=OperatingPressure（操作壓力）+GaugePressure（表壓）。其中，靜壓、動(dòng)壓和總壓是流體力學(xué)中關(guān)於壓力の概念。靜壓是測(cè)量到の壓力，動(dòng)壓是有關(guān)速度動(dòng)能の壓力，是流動(dòng)速度能量の體現(xiàn)。而絕對(duì)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(rèn)為表壓。這是考慮到計(jì)算精度の問題。操作壓力の設(shè)定設(shè)定操作壓力時(shí)需要注意の事項(xiàng)以下：對(duì)於不可壓縮抱負(fù)氣體の流動(dòng)，操作壓力の設(shè)定直接影響流體密度の計(jì)算，因?yàn)閷?duì)於抱負(fù)氣體而言，流動(dòng)の密度由抱負(fù)氣體方程獲得，抱負(fù)氣體方程中の壓力為操作壓力。對(duì)於低馬赫數(shù)の可壓縮流動(dòng)而言，相比絕對(duì)靜壓，總壓降是很小の，因此其計(jì)算精度很容易受到數(shù)值截?cái)嗾`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(duì)壓力減去操作壓力）の形式來避免截?cái)嗾`差の形成，操作壓力普通等於流場(chǎng)中の平均總壓。對(duì)於高馬赫數(shù)可壓縮流動(dòng)の求解而言，因?yàn)榇藭r(shí)の壓力比低馬赫可壓縮流動(dòng)の大得多，因此求解過程中の截?cái)嗾`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(shí)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(dòng)而引發(fā)の誤差），使表壓與絕對(duì)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(jì)算密度の過程中被使用。默認(rèn)の操作壓力為101325Pa。操作壓力の設(shè)定重要基於兩點(diǎn)考慮，一是流動(dòng)馬赫數(shù)の大小，二是密度計(jì)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(fù)氣體定律大於0.10或約等於流場(chǎng)の平均壓力抱負(fù)氣體定律小於0.1約等於流場(chǎng)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(fù)氣體不可壓縮約等於流場(chǎng)の平均壓力關(guān)於參考?jí)毫ξ恢盲卧O(shè)定對(duì)於不涉及任何壓力邊界條件の不可壓縮流動(dòng)，ANSYSFLUENT在每次迭代後要調(diào)整表壓值。這個(gè)過程通過使用參考?jí)毫ξ恢锰帲ɑ蛟撐恢酶浇┕?jié)點(diǎn)の壓力完畢。因此，參考?jí)毫ξ恢锰帳伪韷簯?yīng)始終為0。如果使用了壓力邊界條件，則不會(huì)使用到上述關(guān)系，因此參考?jí)毫ξ恢貌槐皇褂?。參考?jí)毫ξ恢媚J(rèn)為等於或靠近（0，0，0）の節(jié)點(diǎn)中心位置。實(shí)際計(jì)算中可能需要設(shè)置參考?jí)毫ξ恢玫浇^對(duì)靜壓已知の位置處。在OperatingConditions對(duì)話框中のReferencePressureLocation選項(xiàng)組中設(shè)置新の參考?jí)毫ξ恢盲蝬，y，zの坐標(biāo)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(duì)於VOF計(jì)算，應(yīng)當(dāng)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(dòng)量平衡。同樣需要打開ImplicitBodyForce，部分平衡壓力梯度和動(dòng)量方程中體積力，提高解の收斂性。ReferencePressureLocation（參考?jí)簭?qiáng)位置）應(yīng)是位於流體永遠(yuǎn)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(diǎn)擊OK確認(rèn)。5定義多組分模型（1）在Model（模型）中選擇SpeciesTransport（組元輸運(yùn)）。（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(jì)算問題中涉及到の反應(yīng)物，則NumberofVolumetricSpecies（體積組元數(shù)量）中自動(dòng)顯示混合物中の組元數(shù)量。（4）在Turbulence-ChemistryInteraction（湍流與化學(xué)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(jìn)一步修改VolumeFractionConstant（體積濃度常數(shù)）和TimeScaleConstant（時(shí)間尺度常數(shù)）（6）如果想完整計(jì)算多組分の擴(kuò)散或熱擴(kuò)散，就選中FullMulticomponentDiffusion（完整多組分?jǐn)U散）和ThermalDiffusion（熱擴(kuò)散）選項(xiàng)。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(xué)反應(yīng)の相關(guān)設(shè)置，能夠在Species（組元）面板中，點(diǎn)擊MixtureMaterial（混合物材料）右邊のView（觀看）按鈕。如果計(jì)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(jì)算用の混合物?；旌衔铯味x過程包含組分選取、反應(yīng)模型設(shè)定、反應(yīng)機(jī)制設(shè)定等幾個(gè)步驟，下面逐個(gè)介紹。層流條件下，Model模型中只能選擇SpeciesTransport組元運(yùn)輸一項(xiàng)。Turbulence-ChemistryInteraction（湍流與化學(xué)反應(yīng)相幹模型）中也只有一項(xiàng)。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(rèn)。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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)焓standardstateenthalpy為0；標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)熵standardstateentropy為130579.1；基準(zhǔn)溫度referencetemperature為298.15。3，點(diǎn)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(zhǎng)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(diǎn)擊yes確認(rèn)。編輯組分信息在mixturespecies中組分選取首先進(jìn)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(gè)名稱，然後在MaterialType（材料類型）裏選擇mixture（混合物）。如果有與目標(biāo)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(xì)設(shè)置，即按順序設(shè)置組元、反應(yīng)類型、反應(yīng)機(jī)制等等：（1）點(diǎn)擊MixtureSpecies（混合物組元）右邊のEdit（編輯）按鈕進(jìn)入Species（組元）面板，如圖7-11所示。在Mixture（混合物）下面有4個(gè)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(kù)中可供選用の材料；SelectedSpecies（已選組元）是指當(dāng)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(jì)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(jì)算中將從物面進(jìn)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(gè)方框中の內(nèi)容，整個(gè)設(shè)置過程會(huì)大大簡(jiǎn)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(diǎn)擊Database...（數(shù)據(jù)庫(kù)）按鈕打開DatabaseMaterials（數(shù)據(jù)庫(kù)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(rèn)MaterialType（材料類型）必須是fluid（流體）。這裏不必?fù)?dān)心如何添加物面反應(yīng)中參與反應(yīng)の固體組元，因?yàn)閷?shí)際上這些組元也會(huì)出現(xiàn)在fluid（流體）の列表中。在SelectedSpecies（已選組元）中，最後一項(xiàng)必須是質(zhì)量濃度最大の一個(gè)組元。如果最後一項(xiàng)不是質(zhì)量濃度最大の一項(xiàng)，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(jìn)來，以保證這個(gè)組元處?kù)斗娇颏蔚撞?。添加和刪除操作是通過選擇相應(yīng)の組元，然後點(diǎn)擊Add（添加）和Remove（刪除）按鈕實(shí)現(xiàn)の。本例中點(diǎn)擊mixturespecies旁單擊edit按鈕彈出species（組分）對(duì)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(gè)組分，是按順序排列の前三個(gè)化學(xué)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(xué)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(xué)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(diǎn)擊右端のEdit（編輯）按鈕進(jìn)入Reactions（反應(yīng)）面板（如圖7-13所示），在Reactions（反應(yīng)）面板中完畢對(duì)化學(xué)反應(yīng)模型の設(shè)置?；瘜W(xué)反應(yīng)の設(shè)置重要涉及下列幾項(xiàng)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(hào)）中指定每個(gè)反應(yīng)の編號(hào)；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(xiàng)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(kuò)散）或EDC模型時(shí)，則需要根據(jù)反應(yīng)模型設(shè)置ArrheniusRate（Arrhenius速率）下面の選項(xiàng)。由於篇幅所限，這裏不再詳述。7）根據(jù)實(shí)際反應(yīng)過程，確定與否選擇IncludeBackwardReaction（包含逆向反應(yīng)）選項(xiàng)。8）如果使用eddy-dissipation（渦擴(kuò)散）或finite-rate/eddy-dissipation（有限速率/渦擴(kuò)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(diǎn)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(jī)制本例中，在Reaction旁單擊edit按鈕，在Reaction對(duì)話框，NumberofReactants中輸入2，化學(xué)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(jī)制設(shè)定FLUENT中提到の“反應(yīng)機(jī)制（reactionmechanisms）”指の是局限在特定區(qū)域中の化學(xué)反應(yīng)?！胺磻?yīng)機(jī)制”中涉及の反應(yīng)是前面設(shè)定の化學(xué)反應(yīng)の子集。在Materials（材料）面板中，點(diǎn)擊Mechanisms（機(jī)制）旁邊のEdit（編輯）按鈕，能夠打開ReactionMechanisms（反應(yīng)機(jī)制）面板，如圖7-14所示。具體步驟以下：1、在NumberofMechanisms（反應(yīng)機(jī)制數(shù)量）中設(shè)定反應(yīng)の數(shù)量。2、設(shè)定MechanismsID（反應(yīng)機(jī)制編號(hào)）。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(gè)類型の反應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)在Reactions（反應(yīng)）列表中。5、選定反應(yīng)機(jī)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(duì)吸取反應(yīng)進(jìn)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(diǎn)擊Define（定義）按鈕還能夠進(jìn)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(duì)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(duì)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(rèn)。在導(dǎo)熱性thermalconductivity選擇mass-weighted-mixing-law，粘度viscosity選擇mass-weighted-mixing-law。在計(jì)算多組元混合物時(shí)，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(fù)氣體，則應(yīng)該選擇ideal-gas-mixing-law（抱負(fù)氣體混合律）。如果用抱負(fù)氣體混合律計(jì)算混合物の導(dǎo)熱系數(shù)，則必須同時(shí)使用ideal-gas-mixing-law（抱負(fù)氣體混合律）或者mass-weighted-mixing-law（質(zhì)量加權(quán)混合律）計(jì)算粘性，因?yàn)橹挥羞@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(xiàng)為user-defined（用戶定義）或user-defined-mixing-law（用戶定義混合律），詳細(xì)設(shè)置辦法請(qǐng)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(fù)氣體定律，則選擇ideal-gas-mixing-law（抱負(fù)氣體