第13章 物质输送和有限速率化学反应(2)

如果你有一个CHEMKIN形式的化学反应机理[112]，你可以将这一机理导入FLUENT，如13.1.9节。

涡耗散模型

大部分燃料快速燃烧。整体反应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应区，在反应区它们快速地燃烧。在预混火焰中，湍流对流/混合冷的反应物和热的生成物进入反应区，在反应区迅速地发生反应。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应动力学速率可以安全地忽略掉。

FLUENT提供了湍流-化学反应相互作用模型，基于Magnussen 和Hjertager[149]的工作，称为涡耗散模型。

反应r中物质i的产生速率Ri,r由下面两个表达式中较小的一个给出：

在方程13.1-25和13.1-26中，化学反应速率由大涡混合时间尺度k/?控制，如同Splading[227]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，反应物一进入计算区域（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)反应速率都进行计算。净反应速率取两个速率中较小的。实际上，Arrhenius反应速率作为一种动力学开关，阻止反应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反应速率，并且反应是混合限制的。

！尽管FLUENT允许采用涡耗散模型和有限速率/涡耗散模型的多步反应机理（反应数>2），但可能会产生不正确的结果。原因是多步反应机理基于Arrhenius速率，每个反应的都不一样。在涡耗散模型中，每个反应都有同样的湍流速率，因而模型只能用于单步（反应物—产物）或是双步（反应物—中间产物，中间产物—产物）整体反应。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应（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，通常足够启动反应。但是，如果你首先聚合一个混合解，其中所有的产物质量比率都为0，你可能必须在反应区域中补入产物以启动反应。详细内容见13.1.7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13.1-25和13.1-26中的?/k）被亚网格尺度混合速率替代。计算为：

涡-耗散-概念（EDC）模型

涡-耗散-概念（EDC）模型是涡耗散模型的扩展，以在湍流流动中包括详细的化学反应机理[148]。它假定反应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]：

其中*表示良好尺度数量，

C?——容积比率常数=2.1377；

?——运动粘度

认为物质在好的结构中，经过一个时间尺度

后开始反应。

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应器中，初始条件取为单元中当前的物质和温度。反应经过时间尺度?*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?*时间的反应后物质状态记为Yi? 物质i的守恒方程13.1-1中的源项计算公式为：

EDC模型能在湍流反应流动中合并详细的化学反应机理。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，只有在快速化学反应假定无效的情况下才能使用这一模型，例如在快速熄灭火焰中缓慢的CO烧尽、在选择性非催化还原中的NO转化。

推荐使用双精度求解器以避免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13.1.7节获得使用EDC模型求解的指导。

13.1.2 物质输送和反应模拟输入概览

设定涉及物质输送和反应问题的基本步骤如下，每一步的详细执行过程见13.1.3-13.1.5节。有关设定和求解的附加信息在13.1.6-13.1.8节中提供。

1． 选定物质输送和容积反应，指定混合物材料。见13.1.3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表面反应，则要打开壁面和/或微粒表面反应。细节见13.2和13.3

节。

3． 检查和/或定义混合物的属性。（见13.1.4节）。混合物属性包括：

? 混合物中的物质 ? 反应

? 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13.1.4节） 5． 设置物质边界条件（见13.1.5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、反应等，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建一个新的材料的详细内容见13.1.4节。混合物材料的修改包括以下方面：

? 物质的添加和删除 ? 改变化学反应

? 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应流问题，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应流动的设置。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

? 如果希望属性不依赖组分，直接指定混合物属性

? 其它与耽搁物质无关的材料属性（如吸收和辐射系数）

? 一组反应，包括反应类型（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/两步反应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7.1.2节了解有关FLUENT数据库属性数据源的信息。

例如，如果你计划模拟一种甲烷-空气的燃烧，你不需要明确指定反应中涉及的物质和反应本身。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，O2，CO2，H2O和N2）和反应数据将从数据库装入求解器。然后你可以检查物质、反应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，或是创建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13.1.4节中讲述。

13.1.3 选定物质输送和反应，并选择混合物材料

物质输送和容积反应的问题设置总物质模型（Species Model）面板开始（图13.1.1）。

1． 在Model下，选择Species Transport. 2． 在Reaction下，选择Volumetric reactions

3． 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13.1.4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13.1.4节修改已存在材料性质的详细信息。

当选择Mixture Material时，混合物中的Number 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，重新打开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7.1.2节所述，或是创建一个新的混合物，如7.1.2节和13.1.4节所述。

正如在13.1.2节中提到的，物质输送的模拟参数和反应（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 Model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13.1.4节所述。

4． 选择湍流-化学反应相互作用模型，可以使用四种模型： 层流有限速率：只计算Arrhenius速率（见方程13.1-7），并忽略湍流-化学反应相互作用。 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）：使用详细的化学反应机理模拟湍流-化学反应相互作用（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，为减少化学反应计算的开销，你可以增加每次化学反应更新的流动迭代（Flow Iteration Per Chemistry Update）次数。缺省时，FLUENT每十次流动迭代更新化学反应一次。

6． （可选）如果你希望模拟完整的多组分扩散或热扩散，打开完整多组分扩散或热扩散Full Multicomponent Diffusion 或Thermal Diffusion选项。

13.1.4 定义混合物的属性和构成物质

如13.1.2节所讨论的，如果你使用来自数据库的混合物材料，大部分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应，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，在本节中将详细叙述。

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。如果你创建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13.1.2），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…按纽打开Species面板（图13.1.3）。

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表面反应，已选物质Selected Species列表将显示所有混合物中的表面物质。表面物质是那些从壁面边界或是离散相微粒(如Si(s))产生或散发出来的，以及在流体相物质中不存在的物质。表面物质和壁面反应将在13.2节中叙述，微粒表面反应的有关内容见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。

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