物质输送和有限速率化学反应

1、第十三章物质输送和有限速率化学反响FLUENT可以通过求解描述每种组成物质的对流、扩散和反响源的守恒方程来模拟混合和输运，可以模拟多种同时发生的化学反响，反响可以是发生在大量相容积反响中，和/或是壁面、微粒的外表。包括反响或不包括反响的物质输运模拟能力，以及当使用这一模型时的输入将在本章中表达。注意你可能还希望使用混合物成分的方法对非预混系统，在14章介绍、反响进程变量的方法对预混系统，在15章介绍，或局部预混方法在16章介绍来模拟你的反响系统。见12章FLUENT中反响模拟方法的概述。本章中的分为以下章节：13.1容积反响13.2壁面外表反响和化学蒸汽沉积13.3微粒外表反响13.4无反响物

2、质输运13. 1容积反响与容积反响有关的物质输运和有限速率化学反响方面的信息在以下小节中给出:13.1.1 理论模拟物质输运和反响的用户输入概述使能物质输运和反响，并选择混合物材料13.1.4 混合物和构成物质的属性定义定义物质的边界条件定义化学物质的其他源项化学混合和有限速率化学反响的求解过程物质计算的后处理13.1.9 从CHEMKIN 导入一个化学反响机理理论物质输运方程当你选择解化学物质的守恒方程时，FLUENT通过第i种物质的对流扩散方程预估每种物质的质量分数，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是化学反响的净

3、产生速率在本节稍后解释，S为离散相及用户定义的源项导致的额外产生速率。在系统中出现 N种物质时，需要解 N-1个这种形式的方程。由于质量分数的和必须为1,第N种物质的分数通过1减去N-1个已解得的质量分数得到。为了使数值误差最小，第N种物质必须选择质量分数最大的物质，比方氧化物是空气时的N2。层流中的质量扩散在方程13.1-1中，Jj是物质i的扩散通量，由浓度梯度产生。缺省时，FLUENT使用稀释近似，这样扩散通量可记为：()这里Dj,m是混合物中第i种物质的扩散系数。对于确定的层流流动，稀释近似可能是不能接受的，需要完整的多组分扩散。在这些例子中，可以解Maxwell-Stefan方程，详细

4、情况见 节。湍流中的质量扩散 在湍流中，FLUENT以如下形式计算质量扩散：Ji Ei,m + 工、Y 其中Sc是湍流施密特数, L 缺省设置值为 0.7 。Dt注意，湍流扩散一般淹没层流扩散，在湍流中指定详细的层流性质是不允许的。能量方程中的物质输送处理在许多多组分混合流动中，物质扩散导致了焓的传递。这种扩散对于焓场有重要影响，不能被忽略。特别是，当所有物质的Lewis数.kLe =门，13.1-4；CpDi,m远离1时，忽略这一项会导致严重的误差。FLUENT缺省地包含这一项。在方程 13.1-4中，k为热导率。进口处的扩散在FLUENT的非耦合求解器中， 入口的物质净输送量由对流量和扩散

5、量组成，对耦合解算器，只包括对流局部。对流局部由你指定的物质浓度确定。扩散局部依赖于计算得到的物质浓度场。因此，扩散局部从而使净输送量不预先指定。见节有关指定入口净输送量的信息。反响建模的一般有限速率形式反响速率作为源项在方程13.1-1中出现，在FLUENT中根据以下三种模型中的一个计算：层流有限速率模型：忽略湍流脉动的影响，反响速率根据Arrhe nius公式确定。涡耗散模型：认为反响速率由湍流控制，因此避开了代价高昂的Arrhe nius化学动力学计算。涡耗散概念EDC模型：细致的 Arrhenius化学动力学在湍流火焰中合并。注意详尽的化学动力学计 算代价高昂。通用有限速率对于范围很广

6、的应用，包括层流或湍流反响系统，预混、非预混、局部预混燃烧系统都 适用。层流有限速率模型层流有限速率模型使用 Arrhe nius公式计算化学源项，忽略湍流脉动的影响。这一模型对于层流火焰是 准确的，但在湍流火焰中 Arrhe nius化学动力学的高度非线性，这一模型一般不精确。对于化学反响相对缓 慢、湍流脉动较小的燃烧，如超音速火焰可能是可以接受的。化学物质i的化学反响净源项通过有其参加的Nr个化学反响的Arrhenius反响源的和计算得到。Nr其中Mwi是第i种物质的分子量，Ri r为第i种物质在第r个反响中的产生/分解速率。反响可能发生在 连续相反响的连续相之间，或是在外表沉积的壁面处，

7、或是发生在一种连续相物质的演化中。考虑以如下形式写出的第r个反响：NNZ Vi,rM i luT 送 Vi,rMi 13.1-6i 4，r i 4其中N 系统中化学物质数目；vi,r反响r中反响物i的化学计量系数；vi r反响r中生成物i的化学计量系数；Mi 第i种物质的符号;kf,r反响r的正向速率常数;kb,r反响r的逆向速率常数；方程13.1-6对于可逆和不可逆反响FLUENT中缺省为不可逆都适用。对于不可逆反响，逆向速率 常数kb,r简单地被忽略。方程13.1-6中的和是针对系统中的所有物质，但只有作为反响物或生成物出现的物质才有非零的化学 计量系数。因此，不涉及到的物质将从方程中去除

8、。反响r中物质i的产生/分解摩尔速度以如下公式给出：R =1 xi,r其中：Nr-/NrNr>%',r - 飞仃口 Cjj,r -kbjCj/jlr反响r的化学物质数目；j丿Cj,r反响r中每种反响物或生成物j的摩尔浓度；1nj,r反响r中每种反响物或生成物j的正向反响速度指数;nj ,r反响r中每种反响物或生成物j的逆向反响速度指数;13.1-7见节有关输入整体正向反响不可逆和单元反响可逆的化学计量系数和速率指数方面的 内容。-表示第三体对反响速率的净影响。这一项由下式给出：Nr=工九心j包括第三体影响。但是当你有它们的数据时，你可以选择包括第三体影响。反响r的前向速率常数 k

9、f r通过Arrhenius公式计算:其中，Ar 指数前因子恒定单位；'r 温度指数无量纲；Er反响活化能J / kmol；R气体常数J / kmol K你或者数据库可以在fluent的问题定义中提供，、. r，打,j,r, r,Ar,Er，并可选择提供j,r。如果反响是可逆的，逆向反响常数kb,r可以根据以下关系从正向反响常数计算:其中Kr为平衡常数，从下式计算:Kr/?NnRT丿其中Patm 表示大气压力101325Pa。指数函数中的项表示 Gibbs自由能的变化，其各局部按下式计算:.11=i 叫-心鲁1=1其中S0和hi0是标准状态的熵和标准状态的焓生成热。这些值在 FLUEN

10、T中作为混合物材料的属性指定。压力独立反响“压力下FLUENT可以用以下三种方法之一来表示压力独立反响或压力下降反响的速率表达式。降反响是发生在 Arrhenius高压和低压限制之间的反响，因而不仅仅依赖于温度。有三种方法表示在"fall-off 区域的速率表达式，最简单的是Lin dema nn 140形式。还有其它良种相关的方法，Troe方法77和SRI方法230，它们提供了更精确的fall-off 区域表达形式。Arrhenius速率参数对于高压和低压限制都是需要的。两个限制的速率系数融合以产生光滑的压力独立表达式。在 Arrhenius形式中，高压限制 k和低压限制klow的

11、参数如下：k = AT叱 E冋(I3.M4)在任意压力下，净反响速率常数为：AnetF(13.1-16) 1 + p J其中pr定义为：介=土丄(13,1-17)M 1为溶液气体的浓度，可以包括第三体效率。如果方程13.1-16函数F为1,那么是Lin dema nn形式。FLUENT提供了两种其他形式来表述F,称为Troe方法和SRI方法。在Troe方法中，F按下式给出：其中,t/(logprn =0.75 - L27log/eiltd =0J4 13.1-19)f ： 1-20)i 12 1-21)cent.I 广砒厲+址TE +右T"参数,丁3,丁2,做为输入确定。 在SRI方

12、法中，缝合函数 F近似为除了低压限制表达式中的三个Arrhenius参数以外，你还需要提供F表达式中的a, b, c, d, e。!化学动力学机理中有很高的非线性并且形成了一组强烈耦合的方程。求解过程指导见节。如果你有一个 CHEMKIN 形式的化学反响机理112，你可以将这一机理导入 FLUENT，如节。涡耗散模型大局部燃料快速燃烧。整体反响速率由湍流混合控制。在非预混火焰中，湍流缓慢地通过对流/混合燃料和氧化剂进入反响区，在反响区它们快速地燃烧。在预混火焰中，湍流对流/混合冷的反响物和热的生成物进入反响区，在反响区迅速地发生反响。在这些情况下，燃烧称为混合限制的，复杂，常常是未知的化学反响

13、动力学速率可以平安地忽略掉。FLUENT提供了湍流-化学反响相互作用模型，基于Magnussen和Hjertager149的工作，称为涡耗散模型。反响r中物质i的产生速率 R,r由下面两个表达式中较小的一个给出: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，化学反响速率由大涡混合

14、时间尺度k/ ；控制，如同Splading227的涡破碎模型一样。只要湍流出现k/ ； 0，燃烧即可进行，不需要点火源来启动燃烧。这通常对于非预混火焰是可接受的，但在预混火焰中，反响物一进入计算区域火焰稳定器上游就开始燃烧。为了修正这一点，FLUENT提供了有限速率/涡耗散模型，其中Arrhenius 方程13.1-7 和涡耗散方程13.1-25和13.1-26反响速率都进行计算。净反响速率取两个速率中较小的。实际上，Arrhenius反响速率作为一种动力学开关，阻止反响在火焰稳定器之前发生。一旦火焰被点燃，涡耗散速率通常会小 于Arrhenius反响速率，并且反响是混合限制的。!尽管FLUE

15、NT允许采用涡耗散模型和有限速率/涡耗散模型的多步反响机理反响数 >2，但可能会产生不正确的结果。原因是多步反响机理基于Arrhenius速率，每个反响的都不一样。在涡耗散模型中，每个反响都有同样的湍流速率，因而模型只能用于单步反响物一产物或是双步反响物一 中间产物，中间产物一产物整体反响。模型不能预测化学动力学控制的物质，如活性物质。为合并 湍流流动中的多步化学动力学机理，使用EDC模型下面介绍。!涡耗散模型需要产物来启动反响见方程13.1-26 。当你初始化求解的时候， FLUENT设置产物的质量比率为 0.01，通常足够启动反响。但是，如果你首先聚合一个混合解，其中所有的产物质量

16、比率都为0,你可能必须在反响区域中补入产物以启动反响。详细内容见节。LES的涡耗散模型当使用LES湍流模型时，湍流混合速率方程 速率替代。计算为：13.1- 25和13.1-26中的；/k 被亚网格尺度混合(13.k27,subgrid-Kcal'S mixing rate 卜 1) 扌(鬻+兽)=创畑扫rate tensor涡-耗散-概念EDC 模型以在湍流流动中包括详细的化学反响机理148。它假涡-耗散-概念EDC模型是涡耗散模型的扩展,定反响发生在小的湍流结构中，称为良好尺度。良好尺度的容积比率按下式模拟80:(1.3J-26)其中*表示良好尺度数量,C -容积比率常数=2.13

17、77 ； 、.一一运动粘度认为物质在好的结构中，经过一个时间尺度后开始反响。其中C .为时间尺度常数，等于0.4082在FLUENT中，良好尺度中的燃烧视为发生在定压反响器中，初始条件取为单元中当前的物质和温度。反响经过时间尺度*后开始进行，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进行数值积分45。经过一个T*时间的反响后物质状态记为 Y"*物质i的守恒方程13.1-1中的源项计算公式为:EDC模型能在湍流反响流动中合并详细的化学反响机理。但是，典型的机理具有不同的刚性，它们的 数值积分计算开销很大。因而，只有在快速化学反响假定无效的情况下

18、才能使用这一模型，例如在快速熄 灭火焰中缓慢的 CO烧尽、在选择性非催化复原中的 NO转化。推荐使用双精度求解器以防止刚性机理中固有的大指数前因子和活化能产生的舍入误差。见节获得使用EDC模型求解的指导。13.1.2 物质输送和反响模拟输入概览设定涉及物质输送和反响问题的根本步骤如下，每一步的详细执行过程见节。有关设定和求解的附加信息在 节中提供。1. 选定物质输送和容积反响，指定混合物材料。见节混合物材料概念在下面解释。2. 如果你还要模拟壁面或微粒外表反响，那么要翻开壁面和/或微粒外表反响。细节见 13.2和13.3节。3. 检查和/或定义混合物的属性。见节。混合物属性包括：混合物中的物质

19、反响其他物理属性如粘度、比热4. 检查和/或设置混合物中单个物质的属性见 节5. 设置物质边界条件见 节在很多情况下，当你选择混合物材料是，求解器从材料数据库中得到物质性质、反响等，因而你将不 需要修改任何物理属性。但有一些性质可能在数据库中没有定义。如果有任何性质需要设置时，你将被警 告，这样你可以指定这些性质的适当值。你还可能希望检查数据库中这些性质的值，以确定它们对你的应 用是否正确。修改已存在的混合物材料或从最开始创立一个新的材料的详细内容见节。混合物材料的修改包括以下方面：物质的添加和删除改变化学反响 修改混合物的其他材料属性 修改混合物本构物质的材料属性如果你在求解一个反响流问题，

20、你常常希望将混合物的比热定义为组成的函数，将每种物质的比热定 义为温度的函数。你还可能对其它一些性质希望也做这样的定义。缺省状态下，将使用恒定的属性，但对 一些物质的性质，在数据库中存在一个温度的分段多项式函数可供你使用。如果你知道更多适合于你的问 题的函数的话，你还可以选择指定一个不同的温度依赖函数。混合物材料在FLUENT中提出混合物材料的概念以方便物质输送和反响流动的设置。混合物材料可以认为是一组物质和一列控制它们相互作用的规律。混合物材料带有以下性质：一列本构物质，相对于“流体物质一列混合定律，指示如果希望得到组分依赖的属性，混合属性密度，粘度，比热等如何从单 个物质得到如果希望属性不

21、依赖组分，直接指定混合物属性 其它与耽误物质无关的材料属性如吸收和辐射系数 一组反响，包括反响类型有限速率，涡耗散等和化学计量和速率常数混合物材料和流体材料都储存在FLUENT的材料数据库中。包括许多常见的混合物材料如甲烷-空气,丙烷-空气。通常，在数据库中定义了一步 /两步反响机理和大量混合物及其构成物质的属性。当你指定了 你希望使用哪种混合物材料后，适当的混合物材料，流体材料和属性将被装载到求解器中。如果缺少任何 所选材料或构成流体材料必须的属性，求解器将通知你需要指定它。另外，你可以选择修改任何预定 义的属性。见节了解有关FLUENT数据库属性数据源的信息。例如，如果你方案模拟一种甲烷-

22、空气的燃烧，你不需要明确指定反响中涉及的物质和反响本身。只需要简单地选择甲烷-空气作为使用的混合物材料，相关的物质 CH4，02，C02, H20和N2和反响数据 将从数据库装入求解器。然后你可以检查物质、反响和其它属性并定义其它任何缺少的属性，和/或修改任何你希望使用不同值或函数的属性。通常你希望定义一个与组分、温度相关的比热，还可能希望将其它属 性定义为温度和/或组分的函数。混合物材料的使用给你提供了一种灵活性，可以使用大量预定义混合物中的一种，修改这些混合物， 或是创立你自己的混合物材料。自定义混合物材料在Materials面板中进行，在节中讲述。13.1.3 选定物质输送和反响，并选择

23、混合物材料物质输送和容积反响的问题设置总物质模型Species Model面板开始图。| %竹門亡 |' Models Sppcips.OffA Spedoo TrMrBjport* -PrenifllMel CoiiibijifttitflWeitixtd CftiMbiutitih卡 Partial, Pi*¥xd C.inftiMiRead袖n吕F v«iM0tnicJ Wrdl SirfitrcPwt»d9 SurfutMixture J*nip&rtre®M论旳储來IiicHiuic Air VmvNuimiicir Of Vd

24、oiiuu e trie Sped 5Tt|Fbulecv-Chc3话 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，选择 Species Transport.2. 在 Re

25、action 下，选择 Volumetric reactions3. 在Mixture Properties下的Mixture Material下拉列表中选择在你的问题中希望使用的混合物材料下拉列表中将包括所有在当前数据库中定义的混合物。为检查一种混合物材料的属性，选择它，并点击View按纽。如果你所希望使用的混合物不在列表中，选择混合物模板mixture-template 材料，并参阅节了解设置你自己的混合物属性的详细内容。如果有一种混合物材料和你你所希望使用的混合 物相似，可以选择这一材料并参阅节修改已存在材料性质的详细信息。中选择 Mixture Material 时，混合物中的 Num

26、ber of Volumetric Species将在面板中显示，表达你的信 息。!注意如果你在已经选定物质输送后，重新翻开Species Model面板时，只有你的案例中可得到的混合物材料才会显示在列表中。你可以通过从数据库中拷贝在你的案例中增加更多混合物材料，如节所述，或是创立一个新的混合物，如节和节所述。正如在节中提到的，物质输送的模拟参数和反响如果有关将自动从数据库中装入。如果缺 少任何信息，当你点击Species Mode l面板中的OK按纽后将被告知缺少什么。如果你希望检查或修改混合物材料的任何属性，你将使用Materials面板，如节所述。4. 选择湍流-化学反响相互作用模型，可

27、以使用四种模型：层流有限速率：只计算 Arrhenius速率见方程13.1-7,并忽略湍流-化学反响相互作用。涡耗散模型针对湍流流动：只计算混合速率方程 13.1-25和方程13.1-26。有限速率/涡耗散模型针对湍流流动：计算Arrhenius速率和混合速率，并使用其中较小的一个。EDC模型湍流流动：使用详细的化学反响机理模拟湍流-化学反响相互作用见方程13.1-25和13.1- 26。5. 如果你选择EDC模型，你可以选择修改容积比率常数和时间尺度常数方程13.1-28中的C；和方程13.1-29中的C ,尽管通常推荐缺省值。此外，为减少化学反响计算的开销，你可以增加每次化学反应更新的流动

28、迭代Flow Iteration Per Chemistry Update 次数。缺省时，FLUENT 每十次流动迭代更新 化学反响一次。Full6. 可选如果你希望模拟完整的多组分扩散或热扩散，翻开完整多组分扩散或热扩散 Multicomponent Diffusion 或 Thermal Diffusion 选项。定义混合物的属性和构成物质如节所讨论的，如果你使用来自数据库的混合物材料，大局部混合物和物质属性已经定义了。 你可以跟随这一节的过程检查当前的属性、修改某些属性或是设定一个你从头开始定义的全新的混合物材 料的所有属性。记住你将需要定义混合物材料和其构成物质的属性。由于物质属性输入

29、可能依赖于你定义混合物属性 的方法，在设定构成物质的属性之前定义混合物属性非常重要。建议按照如下的属性输入顺序：1. 定义混合物物质和反响，定义混合物物理属性。记住在设定混合物材料属性时点击 Change/Create 按纽。2. 定义混合物中物质的物理属性。记住在设定了每种物质的属性后点击Change/Create按纽。所有这些步骤都在 Materials面板中进行，在本节中将详细表达。| Define|血问$定义混合物中的物质如果你使用数据库中的混合物材料，混合物中的物质已经为你定义了。如果你创立你自己的材料或是 修改已存在材料中的物质，你将需要自己定义它们。在Materials面板中图,

30、检查材料类型 Material Type是否已经设置为混合物，并且你的混合 物是否已经在混合物材料列表Mixture Materials list中选定。点击Mixture Species右边的Edit按纽翻开Species 面板图 。Species面板概览在Species面板中，已选物质 Selected Species列表显示所有混合物中的流体相物质。如果你模拟壁面 或微粒外表反响，已选物质Selected Species列表将显示所有混合物中的外表物质。外表物质是那些从壁面边界或是离散相微粒如Sis产生或散发出来的，以及在流体相物质中不存在的物质。外表物质和壁面反 应将在13.2节中表达

31、，微粒外表反响的有关内容见13.3节。!已选物质Selected Species列表中物质的顺序非常重要。FLUENT认为列表中最后的物质是大量的物质。因此，当你从混合物材料中增加或是删除物质时，必须小心将最丰富按质量的物质作为最后一个 物质。可获得的物质Available Material列表显示可获得，但不在混合物中的材料。通常你可以在列表中看到 空气air，因为缺省时，空气通常是可获得的。Figure 13,1,2: The Materials Pu)dh mixture material)Figtire 13.1.3: The Species Panel在混合物中增加物质如果你从头创立

32、了一个混合物，或者从一种已存在的混合物开始并增加一些缺少的物质，你首先需要从数据库中导入希望的物质或是创立它们，如果它们不在数据库中出现的话，以便在求解器中可以得到，增加物质的过程在下面列出。在开始前你需要关闭Species面板，因为它是一个模式面板，不允许在它翻开的时候做别的事在Materials面板中，点击 Datebase按纽以翻开 Database Materials面板，并拷贝希望的物质，如 7.1.2 节所述。记住混合物的构成物质是流体材料，因而你需要在 Database Materials 面板中选择 Fulid Material Type 来看到正确的选择列表。 注意可获得的固

33、体物质 对外表反响 同样也在流体列表中。！ 如果你在数据库中没有见到你搜寻的物质，可以创立对这种物质创立一个新的流体材料，依造7.1.2 节中的指导，然后继续以下的第二步。2. 再次翻开上面提到的 Species面板。你将看到你从数据库拷贝或创立的流体材料在 AvailableMaterials 列表中列出。3. 为了在混合物中增加一种物质，在 Available Materials 列表中选择它，并点击 Selected Species 列表下面或是 Selected Surface Species列表下面，以定义一种外表物质的 Add按纽。这种 物质将从 Available Materia

34、ls 列表移动到 Selected Species或 Selected Surface Species列表的末 尾。4. 对所有希望的物质重复上述步骤。结束后点击 OK 按纽。！ 增加一种物质到列表中将改变物质的顺序。你必须确保列表中的最后一个物质是大量的物质，并且你需要检查你以前所设定的所有边界条件，欠松弛因子或其它求解参数，如详细表达的那样。在混合物中去除物质为从混合物中去除一种物质，只需要简单地在Selected Species列表或是 Selected Surface Species列表中选定它，并点击列表下的 Remove按纽。这种物质将从列表中去除并增加到 Available Ma

35、terials列表 中。！ 去除列表中的一种物质将改变物质的顺序。你必须确保列表中的最后一个物质是大量的物质，并 且你需要检查你以前所设定的所有边界条件，欠松弛因子或其它求解参数，如详细表达的那样。重排物质如果你发现Selected Species列表中最后一种物质不是最丰富的物质应该是，你需要重排物质以得到正确的顺序。1. 将最大量的物质从 Selected Species列表中去除。它将出现在Available Materials列表中。2. 再次增添这种物质，它将自动放在列表的末尾。物质的命名和顺序如上面讨论的，你必须在增加或去除物质时保持最丰富的物质作为Selected Species

36、列表中的最后一种物质。在增加或去除物质时还需要知道的一些考虑事项在这里给出。一种物质有三个特征在供求解器识别：名字，化学分子式和在Species面板中物质列表中的位置。改变这些特征将会产生以下效果：你可以改变一种物质的名字使用 Materials 面板，如 节所述，而不产生任何影响。 你不能改变一种物质的给定的化学分子式。如果你增加或去除物质，将改变物质列表的顺序。这时，所有的边界条件，求解器参数和物质的 求解数据将被从设为缺省值。 其它流动变量的求解数据，边界条件，求解器参数将不受影响因 此，如果你增加或去除物质，你需要注意这一新定义问题的物质边界条件和求解参数。另外，你 必须认识到基于原来

37、物质顺序给出的物质浓度或是存储在数据文件中的浓度将会与新定义的问题 不匹配。你可以使用数据文件作为初始猜想值，但你必须知道数据文件中的物质浓度将可能对新 定义的模型提供一种不好的初始猜想。定义反响如果你的 FLUENT 模型中涉及化学反响， 你可以接着定义参与的已定义物质的反响。 这只有在你从头 开始创立一种混合物、修改了物质或是出于某些其他原因希望重定义反响时才是必须的。在Materials面板的Reaction下拉列表中显示适当的反响机理，依赖于你在 Species Model面板中选择的湍流-化学反响相互作用模型 见节。如果你使用层流有限速率或 EDC模型，反响机理将是有限 速率的，如果

38、你使用涡耗散模型，反响机理将是涡耗散的；如果使用有限速率/涡耗散模型，反响机理将是有限速率/涡耗散的。反响定义的输入为定义反响，点击 Reaction右侧的Edit按纽。将翻开 Reaction面板图。定义反响的步骤如下：1. 在Total Number of Reaction区域中设定反响数目容积反响，壁面反响和微粒外表反响使用箭头改变数值，或是键入值并按回车键。注意如果你的模型包括离散相的燃烧微粒，只有在你方案使用外表燃烧的多外表反响模型时，才必须 在反响数目中包括局部外表反响s如碳的燃烧，多样碳粒氧化ll>S|JCCKStmch Fkilco27 单AM电軽 Stwr&f

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

40、e Reactions Panel2. 设定你希望定义的反响的 Reaction ID2.如果是流体相反响，保持缺省选项Volumetric作为反响类型。如果是壁面反响在 13.2节中描述或者颗粒外表反响13.3节描述，选择 Wall Surface或Particle reaction作为反响类 型。有关定义颗粒外表反响的进一步信息见节。3. 通过增加Number of Reactants和Number of Products的值指定反响中涉及的反响物和生成物的数量。在Species下拉列表中选择每一种反响物或生成物，然后在Stoich. Coefficient和Rate Exponent区域

41、中设定它的化学计量系数和速率指数。化学计量系数是方程13.1-6中的常数i,r和速率指数是方程13.1-7中的常数nj,r和H。共有两种普通类型的反响可以在Reactions面板中处理。因此正确输入每种反响的参数非常重要。反响的类型如下：整体正向反响无逆向反响：产物一般不影响正向速率，因此所有产物的速率指数 H：,r 应该为0。对于反响物，设定速率指数打为期望的值。如果某种反响不是基元反响，速率指数一般不等于这种物质的化学计量系数。整体正向反响的一个实例是甲烷的燃烧：CH4 + 2O2 CO2 + 2H2Owiel，c "右Hi = 1 j/ch4 =& = 2,= L3,临

42、。么=1.f/co2 = /yH2o = 2、and 血o = 6图表示了甲烷燃烧的系数输入还可在DataBase Materials面板中查阅甲烷/空气混合物材料。注意：在某些情况下，你可能希望模拟产物影响正向速率的反响。对于这些情况，设定产物速率指数j,r为期望的值。这种反响的一个例子是气体转换反响见DataBase Materials面板中的CO/空气混合物材料，其中水的存在对反响速率有影响：'+ *2 + 112 X2 + 112在气体转换反响中，速率表达式可以定义为：/.CO3|V4ll2o72 horo i/co = I' f?co = 1、"h = 05

43、 仏=0丄乩t咚6 = 6 rHO =;?HaO = 05可逆反响：假定每种物质的化学计量系数等于速率指数，这种反响的一个例子是SO2氧化为SO3:S2 + *6 =3wliere f/so2 = 11 f/so2 = X 吃2 = 0*5,论2 = 0 5、啜$ = 1" and 谯 s = L参见下面的第6步如何选定可逆反响。4.如果你使用 层流/有限速率，有限速率/涡耗散或是 EDC模型模拟湍流-化学反响的相互作用，在 Arrhenius Rate标题下输入 Arrhenius速率的以下参数：指数前因子方程13.1-9中的常数A 。A的单位必须指定为方程13.1-5中的反响速率

44、Rj,r的单位， 即mol/vol*time 如kgmol/m 3-s和方程13.1-5中容积反响速率的单位，即质量/容积-时间如kg/ m3-s.!注意如果你选择了英制单位系统，Arrhenius因子还是会按公制单位输入。这是因为当你使用英制单位时，FLUENT没有对你的Ar输入使用转换因子，正确的转换因子依赖于你的V：r , P r等输入。温度指数方程13.1-9中的常数 +。第三体效率方程 13.1-8中的Yj,r。如果你有这一效率的精确值，并且希望在反响速率中包括这种影响即在方程 13.1-7中包括T,翻开 Third Body Efficiencies选项，并点击 Specify按纽

45、以翻开 Reaction Parameters 面板图 。对于面板中的每种物质，指定Third Body Efficiencies。!包括第三体效率不是必须的。你不需要选定 Third Body Efficiencies选项，除非你有这些参数的精确值。压力依赖反响如果相关如果你使用层流/有限速率，有限速率/涡耗散或是EDC模型模拟湍流-化学反响的相互作用，并且反响是压力下降反响见 节，翻开对于 Arrhenius Rate的PressureDependent Reaction 选项，并点击 Specify按纽以翻开 Pressure Dependent Reaction 面板图 13.1.6

46、。 欠松弛参数，选择适当的反响类型Reaction Type Lin dema nn ,Troe,Sri 。这三种方法的细节见节。然后，如果要将混合物的Bath Gas Concentration定义为一种混合物构成物质的浓度的话，你需要指定这一点，通过在下拉列表中选择适当的项。Reaction ParainetersThird-bod vSpecies EfficiencyOKCancelHelpFigure 13. L5: rFhc Reaction Parameters Panel在Reactions面板中Arrhenius Rate下指定的参数表示高压 Arrhenius参数，但是你可

47、以对 Low Pressure Ahhrenius Rate下的以下参数指定值：In 指数前因子方程13.1-15中的Aow ,指数前因子Alow常常是一个非常大的数，因此你需要这一项的自然对数值。活化能方程13.1-15中的Elow 温度指数方程13.1-15中的：low 如果你选择 Troe作为反响类型，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。如果你选择 SRI反响类型，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如果你使用层流/有限速率或是 EDC模型模拟湍流-化学反响的相互作用，且反响是可逆的，那么翻开 对于 Arrhenius Rate的Include Backward Reaction选项。中选定这一选项时，你将不能编辑产物的RateExponent，这些值将被设定为与相应的Stoich.系数相等。如果你不希望使用FLUENT的缺省值，或者你在定义你自己的反响，你将还需要指定标准状态觞和标准状态焓，以在逆向反响速率常数计算中使用方 程13.1-10 。注意可逆反响选项对于涡耗散或有限速率/涡耗散湍流-化学反响相互作用

49、模型是不可获得的。7 如果你使用湍流-化学反响相互作用的涡耗散或有限速率/涡耗散模型，你可以在Mixing Rate标题下输入A和B的值。但是注意除非你有可靠的数据，不要改变这些值/在大多数情况下，你只需要简单地使用缺省值。A是湍流混合速率的常数 A 方程13.1-25和13.1-26,当一种物质作为反响物在反响中出现时用于这 种物质。缺省值为 4.0,根据Magnussen等人给出的经验值149。B是湍流混合速率的常数B 方程13.1-25和13.1-26,当一种物质作为产物在反响中出现时用于这种物质。缺省值为 0.5,根据Magnussen等人给出的经验值149。8. 对于每一种你需要定义

50、的反响重复步骤2-7。完成所有反响后，点0K。定义燃料混合物的物质和反响经常会遇到这种情况，燃烧系统中的燃料不能用一种纯物质例如CH4或C2H6 来描述。复杂的烃类，包括燃料油乃至木材片，很难用这种纯物质来定义。但是，如果你已经得到了这种燃料的热值和最 终分析单元组成，你可以定义一种等价的燃料物质和等价的热公式。例如，考虑一种含有50%C, 6%H和44%O 按重量的燃料。除以原子质量后，你可以得到一种“燃料物质，其分子式为C4.17H6O2.75。你可以从一种类似的，已存在的物质开始，或者从头开始创立一种物质，并分配给它一个分子量100.044.17 126 12.75 16。化学反响可以认

51、为是：44762,75 + L2! 1502 卞 4.1 7 2 4- :HI2°你将需要对这一反响设定适当的stoichiometric系数。燃料物质的燃烧热或标准焓可以从的热值.H计算得到，由于NA7/=£/ <r-<r 13其中，是1mol的标准状态焓。注意方程 13.1-31的符号约定：当反响为放热时， H为负。定义混合物的物理属性当你的FLUENT模型包括化学物质时，需要由你或数据库定义混合物材料的以下物理属性： 密度，可以用气体定律或作为组分比容的函数来定义 粘度，可以定义为组分的函数 热导率和比热在涉及求解能量方程的问题中，你可以定义为组分的函数标

52、准状态焓，如果你模拟可逆反响这些属性输入的详细介绍在第7章中提供。!包括一步和两步的总包反响机理不可防止地忽略中间物质。在高温火焰中，忽略这些别离物质可能 会导致温度的过高预测。通过增加每种物质的比热容可以得到更理想的温度场。Rose和Cooper252提供了一组关于温度的比热多项式函数。每种物质的比热容可按下式计算：mepT=工屮13.1-32k=o表为修正的Cp多项式系数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 定义物质边界条件在你的模拟中，需要指定入口处每种物质的质量分数。另外，对于压力出口，你需要指定出口处的物 质质量分数以在回流情况中使用。在壁面上，FLUENT将对所有物质使用 0梯度0通量边界条件，除非你已经在壁面上定义了外表反响见13.2节或是你选择指定壁面上的物质质量分数。边界条件的输入在第6章论述。!注意你只需要明确指定前N-1种物质的质量分数。求解器通过用 1减去指定物质质量分数的和来计算最后一种物质的质量分数，如果你需要明确指定最后一种物质的质量分数，你必须在列表中Materials面板记录这种物质

55、，如节所述。进口处的扩散，使用非耦合求解器正如节中所提到的，当使用非耦合求解器时，没有指定入口处的物质扩散局部因此也没有净 入口输送量。在某些情况下，你可能希望通过你的计算区域入口的只有物质的对流输送。你可以通过取 消进口物质扩散做到这一点。在缺省状态下，FLUENT在入口包括物质的扩散通量。为关闭入口扩散，使用 define/models/species-transport/inlet-diffusion? Text 命令。13.1.6 定义化学物质的其他源项你可以通过在Fluid面板中定义一个源项来在计算区域中定义一个化学物质的源或是容器。当你的问题中存在物质源，但你又不希望通过化学反响机理来模拟它的时候，可以选择这一方法。6.