fluent物质输送和有限速率化学反应(共30页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上第十三章 物质输送和有限速率化学反应FLUENT可以通过求解描述每种组成物质的对流、扩散和反应源的守恒方程来模拟混合和输运，可以模拟多种同时发生的化学反应，反应可以是发生在大量相（容积反应）中，和/或是壁面、微粒的表面。包括反应或不包括反应的物质输运模拟能力，以及当使用这一模型时的输入将在本章中叙述。注意你可能还希望使用混合物成分的方法（对非预混系统，在14章介绍）、反应进程变量的方法（对预混系统，在15章介绍），或部分预混方法（在16章介绍）来模拟你的反应系统。见12章FLUENT中反应模拟方法的概述。本章中的分为以下章节：l 13.1 容积反应l 13.2 壁面表

2、面反应和化学蒸汽沉积l 13.3 微粒表面反应l 13.4 无反应物质输运131 容积反应与容积反应有关的物质输运和有限速率化学反应方面的信息在以下小节中给出：l 13.1.1 理论l 13.1.2 模拟物质输运和反应的用户输入概述l 13.1.3 使能物质输运和反应，并选择混合物材料l 13.1.4 混合物和构成物质的属性定义l 13.1.5 定义物质的边界条件l 13.1.6 定义化学物质的其他源项l 13.1.7 化学混合和有限速率化学反应的求解过程l 13.1.8 物质计算的后处理l 13.1.9 从CHEMKIN导入一个化学反应机理13.1.1 理论物质输运方程当你选择解化学物质的守

3、恒方程时，FLUENT通过第种物质的对流扩散方程预估每种物质的质量分数，Yi。守恒方程采用以下的通用形式： （13.1-1）其中是化学反应的净产生速率（在本节稍后解释），为离散相及用户定义的源项导致的额外产生速率。在系统中出现N种物质时，需要解N-1个这种形式的方程。由于质量分数的和必须为1，第N种物质的分数通过1减去N-1个已解得的质量分数得到。为了使数值误差最小，第N种物质必须选择质量分数最大的物质，比如氧化物是空气时的N2。层流中的质量扩散在方程13.1-1中，是物质的扩散通量，由浓度梯度产生。缺省时，FLUENT使用稀释近似，这样扩散通量可记为： （13.1.2）这里是混合物中第种物质

4、的扩散系数。对于确定的层流流动，稀释近似可能是不能接受的，需要完整的多组分扩散。在这些例子中，可以解Maxwell-Stefan方程，详细情况见7.7.2节。湍流中的质量扩散在湍流中，FLUENT以如下形式计算质量扩散： (13.1.3)其中是湍流施密特数，（缺省设置值为0.7）。注意，湍流扩散一般淹没层流扩散，在湍流中指定详细的层流性质是不允许的。能量方程中的物质输送处理在许多多组分混合流动中，物质扩散导致了焓的传递。这种扩散对于焓场有重要影响，不能被忽略。特别是，当所有物质的Lewis数 （13.1-4）远离1时，忽略这一项会导致严重的误差。FLUENT缺省地包含这一项。在方程13.1-4

5、中，k为热导率。进口处的扩散在FLUENT的非耦合求解器中，入口的物质净输送量由对流量和扩散量组成，对耦合解算器，只包括对流部分。对流部分由你指定的物质浓度确定。扩散部分依赖于计算得到的物质浓度场。因此，扩散部分（从而使净输送量）不预先指定。见13.1.5节有关指定入口净输送量的信息。反应建模的一般有限速率形式反应速率作为源项在方程13.1-1中出现，在FLUENT中根据以下三种模型中的一个计算：层流有限速率模型：忽略湍流脉动的影响，反应速率根据Arrhenius公式确定。涡耗散模型：认为反应速率由湍流控制，因此避开了代价高昂的Arrhenius化学动力学计算。涡耗散概念（EDC）模型：细致的

6、Arrhenius化学动力学在湍流火焰中合并。注意详尽的化学动力学计算代价高昂。通用有限速率对于范围很广的应用，包括层流或湍流反应系统，预混、非预混、部分预混燃烧系统都适用。层流有限速率模型层流有限速率模型使用Arrhenius公式计算化学源项，忽略湍流脉动的影响。这一模型对于层流火焰是准确的，但在湍流火焰中Arrhenius化学动力学的高度非线性，这一模型一般不精确。对于化学反应相对缓慢、湍流脉动较小的燃烧，如超音速火焰可能是可以接受的。化学物质的化学反应净源项通过有其参加的NR个化学反应的Arrhenius反应源的和计算得到。其中是第种物质的分子量，为第种物质在第r个反应中的产生/分解速率

7、。反应可能发生在连续相反应的连续相之间，或是在表面沉积的壁面处，或是发生在一种连续相物质的演化中。考虑以如下形式写出的第r个反应： （13.1-6）其中系统中化学物质数目；反应r中反应物i的化学计量系数;反应r中生成物i的化学计量系数;第i种物质的符号；反应r的正向速率常数；反应r的逆向速率常数；方程13.1-6对于可逆和不可逆反应（FLUENT中缺省为不可逆）都适用。对于不可逆反应，逆向速率常数简单地被忽略。方程13.1-6中的和是针对系统中的所有物质，但只有作为反应物或生成物出现的物质才有非零的化学计量系数。因此，不涉及到的物质将从方程中清除。反应r中物质i的产生/分解摩尔速度以如下公式给

8、出： （13.1-7）其中：反应r 的化学物质数目；反应r中每种反应物或生成物j的摩尔浓度；反应r中每种反应物或生成物j的正向反应速度指数；反应r中每种反应物或生成物j的逆向反应速度指数；见13.1.4节有关输入整体正向反应（不可逆）和单元反应（可逆）的化学计量系数和速率指数方面的内容。表示第三体对反应速率的净影响。这一项由下式给出：其中为第r个反应中第j种物质的第三体影响。在缺省状态，FLUENT在反应速率计算中不包括第三体影响。但是当你有它们的数据时，你可以选择包括第三体影响。反应r的前向速率常数通过Arrhenius公式计算：其中，指数前因子（恒定单位）； 温度指数（无量纲）；反应活化能

9、();气体常数（）你（或者数据库）可以在FLUENT的问题定义中提供，并可选择提供。如果反应是可逆的，逆向反应常数可以根据以下关系从正向反应常数计算：其中为平衡常数，从下式计算：其中表示大气压力（Pa）。指数函数中的项表示Gibbs自由能的变化，其各部分按下式计算：其中和是标准状态的熵和标准状态的焓（生成热）。这些值在FLUENT中作为混合物材料的属性指定。压力独立反应FLUENT可以用以下三种方法之一来表示压力独立反应（或压力下降）反应的速率表达式。“压力下降”反应是发生在Arrhenius 高压和低压限制之间的反应，因而不仅仅依赖于温度。有三种方法表示在“fall-off”区域的速率表达式

10、，最简单的是Lindemann140形式。还有其它良种相关的方法，Troe方法77和SRI方法230，它们提供了更精确的”fall-off”区域表达形式。Arrhenius速率参数对于高压和低压限制都是需要的。两个限制的速率系数融合以产生光滑的压力独立表达式。在Arrhenius形式中，高压限制和低压限制的参数如下：在任意压力下，净反应速率常数为：其中定义为：为溶液气体的浓度，可以包括第三体效率。如果方程13.1-16函数F为1，则是Lindemann形式。FLUENT提供了两种其他形式来表述F，称为Troe方法和SRI方法。在Troe方法中，F按下式给出：其中，参数做为输入确定。在SRI方法

11、中，缝合函数F近似为除了低压限制表达式中的三个Arrhenius参数以外，你还需要提供F表达式中的a, b, c, d, e。！化学动力学机理中有很高的非线性并且形成了一组强烈耦合的方程。求解过程指导见13.1.7节。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

12、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Hjertager149的工作，称为涡耗散模型。反应r中物质的产生速率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控制，如同Splading227的涡破碎模型一样。只要湍流出现（），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(

13、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

14、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）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。

15、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，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物质的守恒方程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

16、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

17、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：l 混合物中的物质l 反应l 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

18、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：l 物质的添加和删除l 改变化学反应l 修改混合物的其他材料属性l 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

19、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：l 一列本构物质，相对于“流体”物质l 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l 如果希望属性不依赖组分，直接指定混合物属性l 其它与耽搁物质无关的材料属性（如吸收和辐射系数）l 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

20、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

21、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 reactions3 在Mixture Properties下的Mixture Material下拉列表中选择在你的问题中希望使用

22、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

23、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

24、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中的和方程13.1-29中的，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，FL

25、UENT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

26、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M

27、ixture 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

28、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。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

29、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Availa

30、ble 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

31、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

32、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：l 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。l 你不

33、能改变一种物质的给定的化学分子式。l 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

34、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

35、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 ID2. 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 Reac

36、tants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中的常数和，速率指数是方程13.1-7中的常数和。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：l 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（）应该为0。对于反应物，设定速率指数（）为期望的值。如果某种反应不是基元反应

37、，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（）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：l 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

38、。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：指数前因子（方程13.1-9中的常数）。的单位必须指定为方程13.1-5中的反应速率的单位，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没有对你的输入使用转换因子，正确的转换因子依赖于你的，等输入。活化能（正向速率常数表达式

39、中的常数，方程13.1-9）。温度指数（方程13.1-9中的常数）。第三体效率（方程13.1-8中的。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

40、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

41、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），指数前因子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）温度指数（方程13.1-15中的）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，和）。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，和）。6如果你

42、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

43、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

44、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()。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）可以从已知的热值计算得到，

45、由于其中，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，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：l 密度，可以用气体定律或作为组分比容的函数来定义l 粘度，可以定义为组分的函数l 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l 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Cooper25

46、2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

47、（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

48、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

49、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

50、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

51、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

52、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

53、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

54、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：l 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。l 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。l 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

55、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CHEMKIN112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 Mod

56、el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：l 物质n的质量分数l 物质n的摩尔分数l 物质n的浓度l 物质n的的层流扩散系数l 物质n的有效扩散系数l 物质n的的焓（仅对非耦合求解器）l 物质n的源项（仅对非耦合求解器）l 物质n的表面沉积速率（只对颗粒表面反应计算）l 相对湿度l 时间步长尺度（只对刚性化