第13章 物质输送和有限速率化学反应(4)

如果你选择Troe作为反应类型，你可以在Troe Parameter下指定Alpha,T1,T2,T3的值（方程13.1-22中的?，T1，T2和T3）。如果你选择SRI反应类型, 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）。

6．如果你使用层流/有限速率或是EDC模型模拟湍流-化学反应的相互作用，且反应是可逆的，则打开对于Arrhenius Rate的Include Backward Reaction选项。当选定这一选项时，你将不能编辑产物的Rate Exponent，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应，你将还需要指定标准状态觞和标准状态焓，以在逆向反应速率常数计算中使用（方程13.1-10）。注意可逆反应选项对于涡耗散或有限速率/涡耗散湍流-化学反应相互作用模型是不可获得的。 7．如果你使用湍流-化学反应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），当一种物质作为反应物在反应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应中出现时用于这种

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的反应重复步骤2-7。完成所有反应后，点OK。

定义燃料混合物的物质和反应

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，或者从头开始创建一种物质，并分配给它一个分子量100.04(4.17?12?6?1?2.75?16)。化学反应可以认为是：

你将需要对这一反应设定适当的stoichiometric系数。

燃料物质的燃烧热（或标准焓）可以从已知的热值?H计算得到，由于

其中，hi0是1mol的标准状态焓。注意方程13.1-31的符号约定：当反应为放热时，?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 ? 标准状态焓，如果你模拟可逆反应 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应机理不可避免地忽略中间物质。在高温火焰中，忽略这些分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Cooper[252]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：

表13.1.1为修正的Cp多项式系数

13.1.5 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表面反应（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，如13.1.4节所述。 进口处的扩散，使用非耦合求解器

正如13.1.1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部分（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应机理来模拟它的时候，可以选择这一方法。6.27节叙述了在你的FLUENT模型中定义物质源所需要遵从的步骤。如果源项不是常数，你可以使用用户定义函数。用户定义函数的细节见单独的UDF手册。

13.1.7 化学混合和有限速率反应的求解步骤

尽管许多涉及化学物质的模拟在求解过程中不需要特殊的步骤，你可能发现本节中提供的一种或多种求解技术会对加速收敛或提高更复杂模拟的稳定性有所帮助。如果你的问题涉及许多物质和/或化学反应，尤其是模拟燃烧流动时，以下列出的技术可能特别重要。 反应流中的稳定性和收敛

在反应流中获得收敛解非常困难，有很多原因。首先，化学反应对基本流型的影响可能非常强烈，导致模型中质量/动量平衡和物质输运方程的强烈耦合。在燃烧中，反应导致大的热量释放和相应的密度变化以及流动中很大的加速度，上述耦合尤其明显。但是，当流动属性依赖于物质浓度时，所有的反应系统都具有一定程度的耦合。处理这些耦合问题的最好方法是使用下面介绍的两步求解过程及使用22.9节中介绍

的欠松弛方法。

反应流中的第二个收敛问题涉及反应源项的强度。当你的FLUENT模型涉及非常快的反应速率（即比对流和扩散速率快得多），物质输运方程的求解在数值上非常困难。这种系统称为“刚性”系统，当你定义涉及非常快的动力速度的模型，尤其是这些速度描述可逆反应或竞争反应，这种系统得以创建。在涡耗散模型中，较慢的湍流速率去除了非常快的反应速率。对非预混系统，反应速率从模型中去除。对于层流化学反应的刚性系统，推荐使用耦合求解器代替非耦合求解器。对湍流有限速率机理（可能是刚性的），推荐使用EDC模型，这一模型对化学反应使用一个刚性的ODE积分器。求解刚性化学反应系统的其它指南见下述内容。

两步求解过程（冷流动模拟）

将一个反应流动作为两步过程求解对于获得你的FLUENT问题的稳定收敛解是一个实用的方法。在这一过程中，你从求解不带反应的流动、能量和物质方程（“冷流动”，或无反应流动）开始。当建立基本的流型后，你可以再选择反应，并重新开始计算。冷流动求解提供了燃烧系统计算的初始解。这种燃烧模拟的两步方法可以采用以下步骤完成：

1． 设定包括所有感兴趣物质和反应的问题

2． 通过关闭Species Model面板中的Volumetric Reactions选项暂时不选择反应计算

3． 关闭Solution Controls面板中的产物计算

4． 计算初始解（冷流动）。（注意通常获得完全收敛的冷流动解没有实际价值，除非你对无反应解也有兴趣）

5． 打开Species Model面板中的Volumetric Reactions选项使能反应计算

6． 打开所有反应。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-化学反应相互作用，你可能需要增添一个点火源（如下所述）。 密度欠松弛

燃烧模拟难以收敛的一个主要原因是温度的剧烈变化引起密度的剧烈变化，从而导师流动求解的不稳定性。当你使用非耦合求解器时，FLUENT允许你欠松弛密度的这种变化以降低收敛的困难。密度欠松弛因子的缺省值为1，如果你遇到收敛问题，你可以将这个值减少到0.5到1之间（在Solution Controls面板中）。

燃烧模拟的点火

如果你将燃料引入氧化剂，自发的点火不会发生，除非混合物的温度超过了维持燃烧所需要的活化能阈值。这一物理问题在FLUENT中也会出现。如果你使用层流有限速率、有限速率/涡耗散或EDC模型模拟湍流-化学反应相互作用，你将不得不提供一个点火源以启动燃烧。这个点火源可以是加热的表面或温度超过点火温度的入口质量流。但是，这常常等同于一个火花：一个初始求解状态使得燃烧可以进行。你可以通过在FLUENT模型中一个包含有足够燃料/空气混合物以使点火能发生的区域给一个高的温度，来提供这个初始火花。

根据模型的不同，你可能需要提供温度和燃料/氧化剂/产物浓度以在你的模型中产生点火。点火。这种补缀对于最终的稳态解没有影响——不超过火柴的位置对它点燃的火炬最终流型的影响。缀入初始值的细节见22.13.2节。

刚性层流化学反应系统的求解

当使用层流有限速率模型模拟层流反应系统时，你可能需要在反应机理是刚性的时候使用耦合求解器。

（反应流中的求解收敛 问题见以上讨论。注意你可以对湍流火焰使用层流有限速率模型，这表示忽略湍流-化学反应的相互作用。）另外，你可以通过使用stiff-chemistry 文本命令为耦合求解器提供进一步的求解稳定性。

这一选项对于大Courant(CFL)数特例也适合，尽管需要额外的运算来计算化学雅可比行列式的特征值[258]。当你使能刚性化学反应求解器时，你将会被询问指定下列参数：

? 温度的正性速率限制：以这个因子乘旧的温度限制新的温度改变。缺省值为0.2。 ? 温度时间步长减少因子：当温度变化过快时限制当地CFL数。缺省值为0.25。 ? 最大允许时间步长/化学反应时间尺度的比值：当化学反应时间尺度（化学雅可比行列式的特征值）

过大时限制当地CFL数，以保持好条件矩阵。缺省值为0.9。 这些缺省值在大多数实例中都是可用的。

注意stiff-chemistry选项对非耦合求解器是没有的；它只能用于耦合求解器（隐式的或显式的）。 EDC模型求解步骤

如果你使用EDC模型，推荐使用双精度求解器（见1.5节），以避免刚性机理中固有的大指数前因子和活化能产生的截断误差。

由于EDC模型需要很大的计算开销，建议你采用以下步骤，以用非耦合求解器得到解： 1． 用涡耗散模型和简单的单步或两步放热机理计算一个初始解。

2． 用适当的物质使能EDC化学反应机理。如果你有一个CHEMKIN[112]格式的机理，参见13.1.9

如何将它导入。

3． 如果物质的数目和反应顺序改变，你将需要改变物质边界条件。

4． 通过关闭Species Model面板中的Volumetric Reaction选项暂时取消反应计算。

5．在Solution Controls面板中只使能物质方程的求解。

6．对物质混合场计算一个解。

7． 打开Species Model面板中的Volumetric Reaction选项，选定反应计算，并在Turbulence-Chemistry

Interaction下选择EDC模型。

8． 在Solution Controls面板中使能Energy方程的求解。

9． 对复合了物质和温度的场计算一个解。如果火焰吹熄，你可能还需要补缀一个高温区域。 10． 打开所有方程。 11． 计算最终解。

13.1.8 物质计算的后处理

FLUENT可以报告化学物质的质量分数、摩尔分数和摩尔浓度。你还可以显示层流和有效质量扩散系数。物质输运和反应模拟的后处理可以得到以下变量：

? 物质n的质量分数 ? 物质n的摩尔分数 ? 物质n的浓度

? 物质n的的层流扩散系数

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