在湍流流动中,层流流动的Fick扩散定律的方程1由下式替代:
??iJi?????D??i?,mSct???mi????x ?i其中Sct是湍流流动的有效Schmidt数:
Sct??Dt ?tDt 是由湍流引起的有效质量扩散系数。
湍流流动的质量扩散系数需要输入如下内容:使用和层流流动相同的方法定义分子对扩散
Di,m的贡献;附加的选项,来改变湍流Schmidt数的默认设定。如方程3所示,这些参数和
具有涡粘性(m_t)的湍流所导致的有效质量扩散系数有关。
7.7.1层流质量扩散系数的输入
在层流流动中,解算器使用层流流动的Fick扩散定律以及相关的输入(混合物成分i^'的扩散系数Di,m)来计算成分扩散。对于湍流流动,成分扩散使用湍流流动扩散计算中的方程1来计算。
你可以使用下面任意一种方法输入质量扩散系数:
? 除了在使用材料面板一节中混合成分列表最后一个字分的扩散系数DN,m 设定为零之
外,常数稀释近似为所有的Di,m定义为常数值。
? 稀释近似:定义每一个Di,m(除了DN,m 设定为零)为常数或者(如果要计算热传导
的话)温度的多项式函数。
? 多成分方法:定义成分i^'在每一个成分j^'中的扩散系数Di,j为常数值或者温度的多项式函数,或者对于理想气体定律使用分子运动论来定义。 如果你模拟稀释混合物,其中在高浓度的输运流体中具有低质量分数的化学组分,你应该选择前两个方法输入Di,m。如果你模拟非稀释混合物,你可能希望定义每一个二元质量扩散系数Di,j。如果你选择定义Di,j,解算器会使用层流流动的Fick扩散定律中的方程3来计算混合物中组分i^'的扩散。
你需要使用材料面板为每一个化学组分定义Di,m或者Di,j。菜单:Define/Materials...。 扩散系数的国际单位为m^2/s,英制单位为ft^2/s。
常数稀释近似输入
要使用常数稀释近似方法,步骤如下:
1. 在质量扩散系数右边的下拉列表中选择constant-dilute-appx
2. 输入Di,m的唯一值。混合物的每一个组分的扩散系数都使用相同的值。
稀释近似输入
要使用稀释近似方法,步骤如下:
1. 在质量扩散系数右边的下拉列表中选择dilute-approx
2. 在出现的质量扩散面板中(下图)的列表中选择你打算定义质量扩散系数的组分。
Figure 1: 稀释近似的质量扩散系数面板
3. 你可以定义所选组分的Di,m为常数值或者(如果存在热传导)温度的多项式函数:
? 要定义常数扩散系数,请在系数下面的下拉列表中选择常数(默认),然后在列表
的下面输入数值。
? 要定义温度相关扩散系数,请在系数下拉列表中选择多项式,然后定义多项式系数
(具体请参阅多项式函数的输入一节)。
Di?,m?A1?A2T?A3T2??
4. 重复2和3步,直到你将质量扩散面板中的Di列表中的所有组分的扩散系数定义完毕为止。
多成分方法输入
要使用多成分方法定义常数或者温度相关扩散系数,步骤如下: 1. 在质量扩系数右边的下拉列表中选择多成分。
2. 在出现的质量扩散面板中(下图)的列表中选择你打算定义质量扩散系数Di,j的组分i'
和组分j’(组分i'在组分j’中的系数)。
Figure 1:多成分方法的质量扩散系数面板
3. 你可以将所选的成对组分的Di,j定义为常数值或者温度的多项式函数(如果存在热传
导)。
? 要定义常数扩散系数,请在系数下面的下拉列表中选择常数(默认),然后在列表
的下面输入数值。
? 要定义温度相关扩散系数,请在系数下拉列表中选择多项式,然后定义多项式系数
(具体请参阅多项式函数的输入一节)。
Di?,j??A1?A2T?A3T2??
4. 重复2和3步,直到你将质量扩散面板中的Di列表和Dj列表中的所有组分的扩散系数定义完毕为止。。
要使用多成分方法,并使用分子运动论(只在使用理想气体定律时可用)定义扩散系数,步骤如下:
1. 在质量扩散系数右边的下拉菜单中选择分子运动论
2. 完成混合材料的其它适当的定义之后点击改变/创建按钮。 3. 为每一个组分定义Lennard-Jones参数s_i^'和(e/k)_i^',详情请参阅分子运动论参数一节。
解算器会使用分子运动论中的下面的公式计算扩算系数:
Di?,j??3?11??T??M?M?ji?i??0.0188pop?i2?,j??D???????? 12其中:W_D = W_D (T^*_D),p_op是系统的操作压力,
*TD?T
??k?i?j???k?i?j????k?i???k?j?
?i?j??1??i???j?? 2
7.7.2湍流流动中质量扩散系数的输入
当流动是湍流时,你需要定义Di,m或者Di,j,具体请参阅层流流动的质量扩散系数的输入一节,而且你还可以选择改变湍流流动中扩散系数的计算中所描述的湍流Schmidt数Sc_t的默认设定。 一般说来,在湍流流动中,质量扩散由湍流Schmidt数(湍流流动的扩散计算中的方程3)决定的湍流输运控制。湍流Schmidt数规定了由于湍流而引起的质量和动量的相对扩散,它是在所有湍流流动中一致相似的。因为湍流Schmidt是与有分子组成的湍流属性相对不敏感的经验常数,所以对于任何组分你基本上没有理由修改默认值(0.7)。
假如你希望修改Schmidt数,你可以在粘性模型面板中输入新的湍流Schmidt数的值。菜单:Define/Models/Viscous...。
分子运动论需要的输入
7.8标准状态焓
当你使用有限速度方法或者涡扩散模型解决反应流时,你需要定义每一组分j^'的标准状态焓(焓的形式或者热的形式)h^0_j^'。这些输入用于定义混合焓:
T0?H??mj?hj???cp,j?dT? ??Tref,j???j?其中T_ref,j^'是定义h_j^'^0时的参考温度。标准状态焓的国际标准单位是J/kgmol英制单位
是BTU/lbmol。
对于和反应相关的每一组分(即,每一个流体材料都包含在混合材料中),你可以在材料面板一节中的1的标准状态焓和参考温度中设定。
7.9标准状态熵
对于可逆反应如果你使用有限速度模型(参阅Arrhenius速度一节),你需要为每一组分j^'定义标准状态熵。这些输入用于定义混合熵:
cp,j??T?0S??mj??sj???dT?
Tref,j?Tj???其中T_ref,j^'是定义s_j^'^0时的参考温度。标准状态熵的国际标准单位是J/kgmol-K,英制
单位是BTU/lbmol-R。
对于和反应相关的每一组分(即,每一个流体材料都包含在混合材料中),你可以在材料面板一节中的1的标准状态熵和参考温度中设定。
7.10分子热传导系数
如果你模拟预混和燃烧(见模拟预混和燃烧一节),那么流体区域的流体材料应该分配为未燃烧混合物的属性,包括分子热传导系数(湍流燃烧速度一节中方程1的c),也是指定义为k/r c_p 的热扩散系数c,在标准状态下其数值可以查阅燃烧手册(如:[86])。要确定非标准条件下的数值,你需要使用第三方具有详细化学说明的1D燃烧程序。你可以在使用材料面板一节中的1的分子热传导系数中设定它们。
7.11分子运动论参数
当使用理想气体定律时,你可以选择使用分子运动论定义下面的属性: ? 粘性(流体)
? 热传导系数(流体) ? 指定热容(流体)
? 质量扩散系数(对于多成分混合物)
如果你使用分子运动论计算流体粘性(使用分子运动论定义粘性中的方程1),你需要输入分子运动论参数以及该流体的e/k。这些参数是Lennard-Jones参数,在FLUENT被分别称为“特征长度”和“能量参数”。
当分子运动论只用于计算流体的热传导系数时,不需要输入任何内容。 如果你打算使用分子运动论计算流体指定的热容(使用分子运动论定义组分热容中的方程1),你需要输入流体材料的自由度。
如果你使用分子运动论定义混合材料的质量扩散系数时(多成分方法中的输入一节中的方程3),你就需要输入每一化学组分的s_i和(e/k)_i。
分子运动论中需要的输入
使用分子运动论的程序如下:
1. 对于粘性、热传导系数或者流体材料的热容Cp以及混合材料的质量扩散系数选择分子
运动论作为适当的指定方法。
2. 如果你选择使用分子运动论方法所指定的一种或多种属性是流体材料所具有的,你必须
为这个材料设定分子运动论参数。如果你使用分子运动论设定混合材料的扩散系数,你需要为每一个组成成分(流体材料)定义分子运动论参数。 需要设定的参数如下: ? L-J特征长度