第13章 物质输送和有限速率化学反应(3)

2020-07-27 10:13

在混合物中增加物质

如果你从头创建了一个混合物,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(或是创建它们,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,不允许在它打开的时候做别的事)

1. 在Materials面板中,点击Datebase…按纽以打开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。注意可获得的固体物质(对表面反应)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,可以创建对这种物质创建一个新的流体材料,依造7.1.2节中的指导,然后继续以下的第二步。 2. 再次打开上面提到的Species面板。你将看到你从数据库拷贝(或创建)的流体材料在Available

Materials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,以定义一种表面物质)的Add按纽。这种物质将从Available Materials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,如详细叙述的那样。

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 Materials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,如详细叙述的那样。

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7.1.2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测值,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测。

定义反应

如果你的FLUENT模型中涉及化学反应,你可以接着定义参与的已定义物质的反应。这只有在你从头开始创建一种混合物、修改了物质或是出于某些其他原因希望重定义反应时才是必须的。

在Materials面板的Reaction下拉列表中显示适当的反应机理,依赖于你在Species Model面板中选择的湍流-化学反应相互作用模型(见13.1.3节)。如果你使用层流有限速率或EDC模型,反应机理将是有限速率的,如果你使用涡耗散模型,反应机理将是涡耗散的;如果使用有限速率/涡耗散模型,反应机理将是有限速率/涡耗散的。

反应定义的输入

为定义反应,点击Reaction右侧的Edit…按纽。 将打开Reaction面板(图13.1.4)。 定义反应的步骤如下: 1. 在Total Number of Reaction区域中设定反应数目(容积反应,壁面反应和微粒表面反应)(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,只有在你计划使用表面燃烧的多表面反应模型时,才必须在反应数目中包括部分表面反应(s)(如碳的燃烧,多样碳粒氧化)

2. 设定你希望定义的反应的Reaction ID

2. 如果是流体相反应,保持缺省选项Volumetric作为反应类型。如果是壁面反应(在13.2节中

描述)或者颗粒表面反应(13.3节描述),选择Wall Surface或Particle reaction 作为反应类型。有关定义颗粒表面反应的进一步信息见13.3.2节。

3. 通过增加Number of Reactants和Number of Products的值指定反应中涉及的反应物和生成物的数

量。在Species下拉列表中选择每一种反应物或生成物,然后在Stoich. Coefficient和Rate Exponent区域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?i??,r,速率指数是方程13.1-7中的常数??j,r和??j?,r。共有两种普通类型的反应可以在Reactions面板中处理。因此正确输入每种反应的参数非常重要。反应的类型如下:

? 整体正向反应(无逆向反应):产物一般不影响正向速率,因此所有产物的速率指数(??j?,r)

应该为0。对于反应物,设定速率指数(??j,r)为期望的值。如果某种反应不是基元反应,速率指数一般不等于这种物质的化学计量系数。整体正向反应的一个实例是甲烷的燃烧:

图13.1.4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应。对于这些情况,设定产物速率指数(??j,r)为期望的值。这种反应的一个例子是气体转换反应(见DataBase Materials面板中的CO/空气混合物材料),其中水的存在对反应速率有影响:

在气体转换反应中,速率表达式可以定义为:

? 可逆反应:假定每种物质的化学计量系数等于速率指数,这种反应的一个例子是SO2氧化为SO3:

参见下面的第6步如何选定可逆反应。

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-化学反应的相互作用,在

Arrhenius Rate标题下输入Arrhenius速率的以下参数:

?的单位,指数前因子(方程13.1-9中的常数Ar)。Ar的单位必须指定为方程13.1-5中的反应速率Ri,r即mol/vol*time(如kgmol/m3-s)和方程13.1-5中容积反应速率的单位,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?i?,r,?r等输入。

活化能(正向速率常数表达式中的常数Er,方程13.1-9)。 温度指数(方程13.1-9中的常数?r)。 第三体效率(方程13.1-8中的?j,r。如果你有这一效率的精确值,并且希望在反应速率中包括这种影

响(即在方程13.1-7中包括?),打开Third Body Efficiencies选项,并点击Specify…按纽以打开Reaction Parameters面板(图13.1.5)。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。

压力依赖反应(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-化学反应的相互作用,并且反应是压力下降反应(见13.1.1节),打开对于Arrhenius Rate的Pressure Dependent Reaction选项,并点击Specify…按纽以打开Pressure Dependent Reaction面板(图13.1.6)。 欠松弛参数,选择适当的反应类型Reaction Type(Lindemann,Troe,Sri)。这三种方法的细节见13.1.1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。

在Reactions面板中Arrhenius Rate下指定的参数表示高压Arrhenius参数,但是你可以对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Alow),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)


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