fluent表面化学反应模拟

1、导入网格2定义求解器surfaced FLUENTFile Mesh Define Solve Adapt Surface Display Report Parallel View Help3 X瓯畿 中，a/，入喟 Problem SetupGeneraleneralModelsMaterialsPhasesCell Zone ConditionsBoundary ConditionsMesh InterfacesDynamic Mesh Reference ValuesSolutionSolution MethodsSolution Controls MonitorsSolution In

2、itoalization Calculation ActivitiesRun CalculabonResultsGraphics and AnimationsPlotsReportsMeshType® Pressure-Based C Density-BasedVelocity Formulation0 Absolute0 RelativeTime©SteadyO TransientScale| Check - Report Quality I Displ |SolverV GravityGravitational AccelerationUnits.x (m/s2) oY

3、 (m/s2) 0Z(m/s2)gflIMMesh3开启能量方程ModelsModelsModelsProbJem SetupGeneral'lateriafcPhCeJI Zone ConditionsBoundary ConditionsMesh InterfacesDynamic MeshReference ValuesSolutori5oiut)Dn MethodsSgJution ControlMonitorsSolution InitializationCalculation ActivitiesRun CalculationResultsGraphics and Anir

4、nations Plots4操作工况参数operating conditions1 操作压力的介绍关于参考压力的设定，首先需了解有关压力的一些定义。ANSYS FLUENT有以下几个压力，即Static Pressure （静压）、Dynamic Pressure （动压）与 Total Pressure （总压）；Absolute Pressure （绝对压力）、Relative Pressure（参考压力）与 Operating Pressure （操作压力）。这些压力间的关系为，Total Pressure（总压）=Static Pressure（静压）+Dynamic Pressure

5、（动压）；Absolute Pressure （绝对压力）=Operating Pressure （操作压力）+GaugePressure （表 压）。其中，静压、动压和总压是流体力学中关于压力的概念。静压是测量到的压力，动压是有关速度 动能的压力，是流动速度能量的体现。而绝对压力、操作压力和表压是 FLUENTH人的压力参考量，在 ANSY$LUENTK 所有设定的压 力都默认为表压。这是考虑到计算精度的问题。2 操作压力的设定设定操作压力时需要注意的事项如下：对于不可压缩理想气体的流动，操作压力的设定直接影响流体密度的计算，因为对于理想气 体而言，流动的密度由理想气体方程获得，理想气体方程

6、中的压力为操作压力。对于低马赫数的可压缩流动而言，相比绝对静压，总压降是很小的，因此其计算精度很容易受到数值截断误差的影响。需要采取措施来避免此误差的形成，ANSYSTUENT1过采用表压（由绝对压力减去操作压力）的形式来避免截断误差的形成，操作压力一般等于流场中的平均总压。对于高马赫数可压缩流动的求解而言，因为此时的压力比低马赫可压缩流动的大得多，所以求解过程中的截断误差的影响不大，可以不设定表压。由于ANSY符LUEN#所有需输入的压力都为表压，因此此时可以将操作压力设定为 0（这样可以最小化由于压力脉动而引起的误 差），使表压与绝对压力相等。如果密度设定为常数或者其值由通过温度变化的函数

7、获得，操作压力并没有在计算密度的过 程中被使用。默认的操作压力为101325Pa操作压力的设定主要基于两点考虑，一是流动马赫数的大小，二是密度计算方法。表格1操作压力的推荐设置密度关系式马赫数操作压力理想气体定律0或约等于流场的平均压力理想气体定律小于约等于流场的平均压力关于温度的函数1/、口压缩不使用常数/、口压缩不使用/、可压缩的理想气 体/、口压缩约等于流场的平均压力3 关于参考压力位置的设定对于不涉及任何压力边界条件的不可压缩流动，ANSYSFLUENTE每次迭代后要调整表压值。这个 过程通过使用参考压力位置处（或该位置附近）节点的压力完成。因此，参考压力位置处的表压应一 直为0。如果

8、使用了压力边界条件，则不会使用到上述关系，因此参考压力位置不被使用。参考压力位置默认为等于或接近（0, 0, 0）的节点中心位置。实际计算中可能需要设置参考压 力位置到绝对静压已知的位置处。在 Operating Conditions 对话框中的 Reference Pressure Location选项组中设置新的参考压力位置的 x, y, z的坐标即可。如果要考虑某一方向的加速度，如重力，可以勾选 Gravity复选框。对于 VOF#算，应当选择 Specified Operating Density ,并且在 Operating Density 下为最轻 相设置密度。这样做排除了水力静压

9、的积累，提高了 round-off 精度为动量平衡。同样需要打开 Implicit Body Force ,部分平衡压力梯度和动量方程中体积力，提高解的收敛性。Reference Pressure Location（参考压强位置）应是位于流体永远是100%勺某一相（空气）的区域，光滑和快速收敛是其基本条件。单击 Define-Operating Conditions 。在 Operating Pressure 中输入 10000 Pa,选中重力 Gravity ,在 Z中输入 m/s2 , Operating Temperature 输入 303 K,点击 OK确认。5 定义多组分模型（1）在

10、Model （模型）中选择 Species Transport（组元输运）。（ 2）在Reactions （反应）中选择Volumetric Reactions （体积反应）。（ 3）在Mixture Material （混合物材料）中选择所计算问题中涉及到的反应物，则Numberof Volumetric Species （体积组元数量）中自动显示 混合物中的组元数量。（ 4）在Turbulence-Chemistry Interaction （湍流与化学反应相干模型）中根据需要选择相应的模型。如果选择了Eddy-Dissipation Concept （EDC） ，则可以进一步修改Volu

11、me Fraction Constant（体积浓度常数）和Time Scale Constant （时间尺度常数）（ 6）如果想完整计算多组分的扩散或热扩散， 就选中 Full Multicomponent Diffusion （完整多组分扩散）和Thermal Diffusion （热扩散）选项。在上面的设置过程中，如果需要查看混合物中组分和化学反应的相关设置，可以在 Species （组 元）面板中，点击 Mixture Material（混合物材料）右边的 View （观看）按钮。如果计算中用到的混合物模型是一种新的混合物，则需要在Material （材料）面板中创建混合物，然后再将新定

12、义的混合物选作计算用的混合物。混合物的定义过程包含组分选取、反应模型设定、反应机制设定等几个步骤，下面逐一介绍。层流条件下，Model 模型中只能选择Species Transport 组元运输一项。Turbulence-ChemistryInteraction （湍流与化学反应相干模型）中也只有一项。ftuLfeaii Sr-HqziPhasesCell Zane Go nd 3a re Blu 必 C JidlCF ;门厂住初71 &FencE TleoLibanSdLm。MctwcSSoLnon CanrrcfcMonrtari5GL 用"13腐8GcdaEti 为Lt

13、h UhRu-匕_ wRpJ占G-adhcs Btii 船*iia£ 值PMRkEM 口加 isN*1d气，H/r户-中f，rijirber df VtwjneErc 5iMkr曜Numbt，of hltz Spe5EEeumcNVS FLUENT U 0|3d.jl net Cry 0 加叫-Li qRmtan - Hga prrhq|" Sui二 方。口黑。%Pfrmiurd ENMhiiEnin icon 叩r Trangpqrt叵 CdFlDfraeri叵 Dffumn Ewqy $"a上=ul Hdixorwnent Zj?orJ rhei而ai以港餐的

14、用彳& jx 必 £h«niu LuDwr>fllT chilis jysdZHEMhZK-CJ-J trcm =.es:±nrmj如n|L .i声在 Models 中选中 Species Transport 单选按钮，在 Reactions 中选中 Volumetric 和 Wall surface 复选框，在 Wall Surface Reaction Options 中选中 Mass Deposition Source 复选框，在 Options 中选择 Inlet Diffusion, Full Multicomponent Diffusio

15、n, Thermal Diffusion复选框，单击 OK按钮确认。6设置材料1）添加神化氢arsine1,双击air2,在 name中输入 arsine 和 chemical formula 处输入 ash3;比热容 cp 选择 kinetic-theory ； 导热系数 thermal conductivity 选择 kinetic-theory ；粘度 viscosity 选择 kinetic-theory ；分子 量 molecular weight 选择 constant 为；标准状态始 standard state enthalpy 为 0;标准状态嫡 standard state

16、 entropy 为； 基准温度 reference temperature 为。no。3,点击change/create ,创建新物质，在弹出的是否覆盖选择4,双击 arsine能量参数中在 L-J characteristic Length特征长度输入（埃米）；L-J Energy Parameter输入。单击Change/Create按钮。2）添加三乙基钱、甲基、氢气、钱（固体）、神（固体）、钱、神参数Ga(CH_3)_ 三乙后g3CH_3 甲基H_2氢气Ga_ s 钱As_ s 神Ga 钱(固)As神(固)Nametmgch3ghydro-genga_ sas_ sgaasChemic

17、al Formulagach33ch3h2ga_ sas_ sgaasCP(specific heat)kinetic-the orykinetic-the orykinetic-the oryThermal conductivit ykinetic-the orykinetic-the orykinetic-the orykinetic-the orykinetic-the oryViscositykinetic-the orykinetic-the orykinetic-the orykinetic-the orykinetic-the oryMolecular weight15Stand

18、ard state enthalpy0+07000Standard state entropy00reference temperatureL-J characteris tic Length-00L-J Energy Parameter398-00Degree of freedom005-7编辑组信息1,修改组命名双击 mixture-temple , name中输入 gaas_deposition。单击 change, 点击 yes 确认。2,编辑组分信息在 mixture species 中组分选取首先进入 Materials （材料）面板：Define->Materials.在M

19、aterials （材料）面板上，先在Name名称）中为新的混合物确定一个名称，然后在Material Type（材料类型）里选择mixture （混合物）。如果有与目标相近的混合物模型，可以在下面的Mixture Material （混合物材料）中选择一样，比如 methane-air （甲烷一空气），然后在下面 Properties （性能）中做详细设置，即按顺序设置组元、反应类型、反应机制等等：（1）点击Mixture Species （混合物组元）右边的 Edit （编辑）按钮进入 Species （组元）面 板，如图7-11所示。在Mixture （混合物）下面有4个框，即Avail

20、able Materials （可用材料）， Selected Species （已选组元），Selected Site Species （已选吸收组元）和 Seleted Solid Species （已选固体组元）。Available Materials （可用材料）是指材料数据库中可供选用的材料；Selected Species （已选组元）是指当前混合物中已经选中的组元；Selected Site Species （已选吸收组元）是指在存在物面反应的计算中，气相混合物中即将通过反应被物面吸收的组元；Selected Solid Species （已选固体组元）是指物面反应计算中将从物面

21、进入气流的组元。显然，如果不存在物面反应，则不用考 虑后面两个方框中的内容，整个设置过程会大大简化。组元设置的中心任务是选择混合物组元，即设定 Selected Species（已选组元）的内容。在Materials （材料）面板中，点击 Database.（数据库）按钮打开 Database Materials （数据库中 材料）面板，拷贝所需的组元后，再回到Species （组元）面板。在拷贝之前，需要确认Material Type （材料类型）必须是fluid（流体）。这里不必担心如何添加物面反应中参与反应的固体组元，因为实际上这些组元也会出现在fluid （流体）的列表中。在Selec

22、ted Species （已选组元）中，最后一项必须是质量浓度最大的一个组元 。如果最后一 项不是质量浓度最大的一项，可以先将质量浓度最大的组元从方框中删除， 然后再重新添加进来，以 保证这个组元处于方框的底部。添加和删除操作是通过选择相应的组元，然后点击Add （添加）和Remove（删除）按钮实现的。本例中点击mixture species 旁单击edit按钮弹出species （组分）对话框，调整各类型组分Selected SpeciesSelected Site SpeciesSeleted Solid Speciesash3ga sgaga(ch3)3as sasch3h2注：这里需

23、要设置好 selected species的排列顺序，在后面边界条件设置中velocity inlet中species体现的三个组分，是按顺序排列的前三个化学反应设定组元设置完成后，就可以开始设置组元间的化学反应。在Materials（材料）面板中，Reactions（反应）下拉列表中显示的反应类型取决于Species Modal（组元模型）面板中Turbulence-ChemistryInteraction（湍流化学反应相干）模型的设置如果设置的是 Laminar Finite-Rate （层流有限速率）模型或 EDC模型，则反应类型显示为finite-rate（有限速率）；如果设置的是Ed

24、dy-Dissipation（涡耗散）模型，则反应类型显示为eddy-dissipation （涡耗散）；如果设置的是 Finite-Rate/Eddy-Dissipation （有限速率/涡耗散）模型，则反应类型显示为 finite-rate/eddy-dissipation（有限速率/涡耗散）。点击右端的Edit （编辑）按钮进入Reactions（反应）面板（如图7-13所示），在Reactions （反应）面板中完成对化学反应模型的设置。化学反应的设置主要包括下列几项内容：1）在Total Number of Reactions（总的反应数量）中设定总的反应数量；2）在Reaction

25、 Name （反应名称）中指定反应名称；3）在Reaction ID （反应编号）中指定每个反应的编号；4）在Reaction Type（反应类型）中指定反应类型，即指定反应类型为 Volumetric （体积）、Wall Surface （物面）或 Particle Surface（颗粒表面）；5）在Number of Reactants （反应物数量）和 Number of Products （生成物数量）中指定反应 的反应物数量和生成物数量。然后在Species （组元）下拉菜单中选择反应物和生成物，并在Stoich. Coefficient （反应系数）中设定组元在指定反应方程中的系数

26、。在 Rate Exponent （速率指数）中 设定组元的速率指数，即组元生成速率方程中指定反应方程中摩尔浓度项的指数。6）如果在 Species Modal （组元模型）面板的 Turbulence-Chemistry Interaction（湍流一反应相干模型）中选择的是 laminar finite-rate（层流有限速率）、finite-rate/eddy-dissipation（有限速率/涡扩散）或EDC模型时，则需要根据反应模型设置 Arrhenius Rate （ Arrhenius 速率） 下面的选项。由于篇幅所限，这里不再详述。7）根据实际反应过程，确定是否选择 Inclu

27、de Backward Reaction（包含逆向反应）选项。8）如果使用 eddy-dissipation（涡扩散）或 finite-rate/eddy-dissipation（有限速率/涡扩散）模型，则还需要设定 Mixing Rate（混合速率）。9）重复2）8）步直到设置完所有反应，然后点击 OK按钮完成全部设定过程。反应模型设定在区域上定义反应机制本例中，在 Reaction旁单击edit按钮，在Reaction对话框，Number of Reactants 中输入2, 化学反应输入数据如下表。参数反应一反应二Reaction namegallium-depArsenic-depRe

28、action ID12Reaction typeWall surfaceWall surfaceNumber of reactants22Speciesash3, ga_sgach33, as_sStoich. Coefficientash3=1, ga s=1gach33=1, as s=1Rate exponentash3=1, ga_s=1gach33=1, as_s=1Arrhenius RatePEF=1e+06 AE=0 TE=PEF=1e+12 AE=0 TE=Number of products33Speciesga, as_s, h2as, ga_s, ch3Stoich.

29、Coefficientga=1, as_s=1, h2=as=1, ga_s=1, ch3=3Rate exponentas_s=0, h2=0ga_s=0, ch3=0PEF=Pre-Exponential Factor , AE=Activation Energy , TE=Temperature ExponentNa rre3aas_depositionOiemical Formula产叩cr抚3Mrcture SsBit.hanism" 一 been added, onducti ui t-iiRe&on f,i-iloaded.uid.(qai5

30、_depo口耳 hpn AftiStJte EnthaUdld t反应机制设定FLUENT中提到的“反应机制（reaction mechanisms ）”指的是局限在特定区域中的化学反应。“反应机制”中涉及的反应是前面设定的化学反应的子集。在 Materials （材料）面板中，点击 Mechanisms （机制）旁边的Edit （编辑）按钮，可以打开 Reaction Mechanisms （反应机制）面板, 如图7-14所示。具体步骤如下：1、在Number of Mechanisms （反应机制数量）中设定反应的数量。2、设定Mechanisms ID （反应机制编号）。3、设定Name

31、 （名称）。4、在Reaction Type （反应类型）中设定反应类型。在反应类型确定后，属于这个类型的反应 就会出现在Reactions （反应）列表中。5、选定反应机制中包含的反应。如果选定的反应类型是 Wall Surface （壁面反应）并且其中包 含吸收反应，则还需要对吸收反应进行专门的设定， 即设定Number of Sites （吸收反应数量）、Site Name（吸收反应名称）、Site Density （吸收密度），点击De巾ne （定义）按钮还可以进一步选定吸 收反应中的被吸收组元和被吸收组元的 Initial Site Coverage （初始吸收覆盖率）等参数。本例中

32、，在 mechanism 旁单击 Edit 按钮弹出，reaction mechanisms 对话框。在 Number of Mechanisms 中输入 1, Name输入 gaas-ald , Reaction Type 选择 Wall Surface , Reactions 中选择 gallium-dep 和 arsenic-dep , Number of Sites 中输入 1, Site Density 中输入 1e-08。单击 define 按钮，在 Site parameters 对话框，Total Numberof Site Species 中输入 2, Initial Sit

33、e Coverage 中 ga_s 输入，as_s 输入。单击 Apply 确认。Crtiki/EjEfa. ifllt58as_depciM!,i=bT3perae5vnue 5pe<IE3Ear .11 ML-Ii ，rd-.tieary打不二-iljltMEFuUEMT MwImk mi »s 9lK>Ell»n10 ter ial rtl * lure-t:N堂，property ,HtcriaindLsn4i Spi rit i ng rp«aii;U i，h-Tv<r;li，H®/ |pra|iert '"

34、Therinail Cun due SeleDtingi Donstant net hod IoHew prvpvrtjf "iLscwilt，* 餐闵Sl*ctiny Qonstainit Mt修 iiu nttaterial air;Hew |>rii|itrly '"ItjiidtM-iJfcesrwsndL 5 bi3 时才或出口口 W-ck.rii11mliI 二 ±data rfuired.hdue Lei?ri ioddd.u转的 FluLd rF-LEHTEanoase .甲 Nai'-WHUi工所心R0XKH TtP*jeU

35、tc u 四可OKSniveling con5t4nt rwttw。for ”"-n<d*rd Stitt Entglpy"errori Hq u&&r-definedl uihcticnsLiror ubj&ct: 84friror：1 irriError Ubj?ct: rixtuire-tenplate在导热性thermal conductivity选择 mass-weighted-mixing-law,粘度 viscosity选择mass-weighted-mixing-law在计算多组元混合物时，可以在 Thermal Conduct

36、ivity（导热系数）右边的下拉列表中选择mass-weighted-mixing-law （质量加权混合律）定义导热系数。如果混合物为理想气体，则应该选择 ideal-gas-mixing-law （理想气体混合律）。如果用理想气体混合律计算混合物的导热系数，则必须同时使用ideal-gas-mixing-law （理想气体混合律）或者mass-weighted-mixing-law（质量加权混合律）计算粘性，因为只有这两种方法可以用于指定多组元混合物的粘性多组元混合物的导热系数也可以用UDF （用户自定义函数）来定义，其选项为user-defined （用户定义）或user-de巾ned-

37、mixing-law（用户定义混合律），详细设置方法请参见 UDF的相关章节在FLUENT中定义组元相关粘度的步骤如下：在Viscosity （粘度）右边的下拉列表中选择 mass-weighted-mixing-law （质量加权混合律）。 如果在密度定义中使用了理想气体定律， 则选择ideal-gas-mixing-law （理想气体混合定律）。如果 准备用自定义函数定义粘度，则选择user-defined （用户自定义），或选择user-defined-mixing-law（用户自定义混合律）。user-defined-mixing-law （用户自定义混合律）是采用UDF来定义混合物的

38、粘度，其基本定义 方法也是先分别定义混合物中的各 种组元，再用各组元 的物性 参数计算出混合 物的粘度。user-defined （用户自定义）则是以混合物粘度参数为对象进行定义的。相关内容请参见UDF相关章节。8边界条件设定速度入口设定Velocity magnitude 为；thermal 中 temperature 为 293; species 中 Species Mass Fractions （组元质量浓度）ash3为，gach33为，ch3为0。Boundary ConditionsZonedefault-interior oudetvelcotynnletVelocity Inle

39、tZone Namevdodty-inletReference Frame0.02189constantVelodty Spedfkatjon MethodMomentum | Thermal | Radiation | Species | DPM | Multiphase | UDS |Velodty Magnitude (m/s)constantSu per sonic/Initial Gauge Pressure (pascal) IqI OK |Caned | Help |压力出口设置 保持默认ounclry Cofidlliomi二已一三1.什一|-|二三口匚0.elosLvdnte

40、tMIT rjal-2MSWE * (TG&IMnEWn Therrm Raciaiiar 通君 | CFM Nulfipbl U弱 |Qu弊teawri出后scaR斤|皿七dcfl皿DkrtonSp"同MW25心即1田IEqjrfibnun Presiare 口51nbJition口妇.闻己 Pressure Soetilceta-Ta qet 附年 Fh' Rfite-6dt ”| Qyy profileaw F/iinTeiis.”cjper4?ng candflcnt 3iEpa, Meah Pencdc Z:mi：n3nsB.LEnkCxd-Jx -7.壁面

41、设置wall-1Thermal conditions 中选择 temperature 单选按钮，填入 473壁面设置wall-2Thermal conditions 中选择 temperature 单选按钮，填入 343Boundary Conditions壁面设置wall-4Wall motion 中选择 moving wall 单选按钮，在 motion 中选择 absolute 和 rotational 按钮， speed 输入 80。Thermal conditions 中选择 temperature 单选按钮，填入 1023。Species 选项卡中 保持默认。Jone de fau

42、lt-wi tenor outlet xcbzt<4-ict wol-1 *口wal-5 saidZone KarreI Adil 411 M«hAcjocent Cel ZonehfarcMuE Th-rw>ol| Redmon | Speers CPM | MJfpbwe UD5 | WdlHh-WdiMoxnmwtusSstonar, Wal w Moving V/allC Reteave te Aqacenr 口 工otm Abxlute£xcd gdlSMtgay N( Tr»ise tonal。Rotator alCenparmX（6）&#

43、176; ®|XP®Yfcn)3 ®。 0ZP®Rotetor -AxisDifectJonSliest Cordtfon。No SipC Spcofed Shear Specuidrit/ CoeflklMt Hxa,voon 3tle33wal Rougrr«snrgbr im) |qconstantR<-i ijTr<s Ci-sr-iTil pj-cocstant壁面设置wall-5Wall motion 中选择 moving wall 单选按钮，在 motion 中选择 absolute 和 rotational 按钮，

44、speed输入80。Thermal conditions 中选择temperature 单选按钮，填入 720。Species选项卡中保 持默认。2 WalldefdulUnteftof oude: veloctyTe: ivdl-1 Zl2 3T“y Flore gl5Adjacent Cel Zone lludMuTcrtm | Therna Radianor eoes jDPM | Mulphase | UC6 v/al Hh- |Phasentre7al Motion。Statorar Wall9 Mo/rg,端Motion2c也四M5ro AdjT*ir cel Zsr 。A55*t

45、cSoeec (rad/sm"Trancloti&nai 。Rota5onaComponentsRotd-ton-AJCS&UnX (an)RotMbn-AxJs arectkrY(on)2(6)xpYP平5lPISheer Cottond No Sip5peafirdShroiSpecuhrity CoeffcentMa,angon STessWal RoughncwconstantRojo：55 卜。巾(CTi)府pojghrwe conctrr econstant1 Q< I6试.高Zone Nome v?al-5AdjxE Cl NexxMon-entu

46、m Thcrnd Rodiotion | Speces | DPM | Mdtoliase | UDS V/al TimTh=*mal Condiions©Heat Flux jj Temperature 0 CorvcoionRadabon ) MxedTenperaure (k)corKtartV/all Thefcness ：on) |qMatenal *4arreabnmimHcot Cencrobon Rote (m/n3) q-constartSbel Conduction壁面设置wall-6Thermal conditions 中选择 temperature 单选按钮，填入 3039重新设置modelOptions中取消选择inlet diffusion ，点击OK确认。如果入口质量很小的话就应该关掉入口扩散选项的，否则会导致质量损失10求解控制