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电化学反应模拟设置：Fluent教程

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本文介绍在Fluent中启用电化学反应模型的一般流程。

1 电化学反应

电化学反应通常发生在电解液和电极接触的壁面上。液体与固体都可以参与电化学反应，参与电化学反应的固体物质常被腐蚀或发生沉积。电化学反应速率通常根据壁面单位表面积来定义和计算，而液相体积反应则根据单位体积来计算。在Fluent中可以为不同的壁面指定不同的反应机理，并且每种反应机理可以包含有多个电化学反应。

2 电化学反应的输入参数

在你的问题中加入电化学反应的步骤如下

Step 1：对于瞬态模拟，从General任务页中选择Transient
Step 2：鼠标双击模型树节点Models → Species Models打开组分输运模型设置对话框，如下图所示，激活选项Species Transport，选中选项Volumetric及Electrochemical激活电化学反应模型

Step 3：创建或**材料介质

新建或从材料库中添加材料。在**组分(包括腐蚀和沉积的固体组分)时，请确保在Fluent Database Materials对话框中的Material Type中选择Fluid。在化学反应中没必要体现电子，因此可以忽略。
对于新建的组分，在属性对话框中设置Charge Number。默认情况下所有组分的电荷数被设置为0，意味着该组分为中性。确保设置所有相关组分的电荷数。对于单独组分，通常不需要设定其Electrical Conductivity，然而需要设置混合物的电导率。

Step 4：定义混合物的材料属性

删除不使用的组分，并将电化学组分添加到所述的Selected Species中
如果固体物质参与了电化学反应(例如腐蚀或电镀模拟)，将这些组分添加到Selected Solid Species中

Step 5：定义电化学反应。对于每一个反应，需要进行以下设置

选择Reaction Type为Electrochemical
默认情况下软件选择使用Butler-Volmer方法，若想要使用Tafel方法，可以选择选项Tafel Parameters
指定Butler-Volmer或Tafel参数。若选择使用Butler-Volumer，需要输入Anodic Transfer Coefficient（对应着理论公式中的）、Cathodic Transfer Coefficient（对应理论公式中的）；若选择使用Tafel Parameter，则输入Anodic Tafel Slope（对应理论公式中的）、Cathodic Tafel Slope（对应理论公式中的），Exchange Current Density（对应理论公式中的）、Equilibrium Potential（对应理论公式中的）
指定每种组分的dimension power（理论公式中的）作为参数Rate Exponent
在Butler-Volmer/Tafel Parameters下方，点击Specify Reference Mass Fractions... 按钮并在打开的Reference Mass Fractions对话框中，输入参考组分的质量分数（理论公式��的）

注：可以使用UDF宏DEFINE_EC_KINETICS_PARAMETER定义Butler-Volmer参数；利用DEFINE_EC_RATE定义反应速率。

Step 6：使用 Reaction Mechanisms对话框定义反应机制。(点击Create/Edit Materials对话框的Mechanism旁边的 Edit按钮打开)

指定Number of Mechanisms
对于每一种电化学反应机理，指定Mechanism ID，选择Reaction Type为Electrochemical，在Reactions列表框中，选择电化学反应

Step 7：在Create/Edit Materials对话框中，指定混合物其他属性，如Density（通常选择weighted-mixing-law）、Mass Diffusivity以及Electrical Conductivity等

Step 8：设置计算区域的属性

在Fluid对话框中，通过选择或清除Electrolyte复选框指定所选区域是否为电解液区域。默认情况下，所有流体区域都是电解质区域
若计算区域中没有体积反应，则清除Reaction复选框

Step 9：设置相关壁面边界的电化学边界条件。电化学反应既可以定义为外壁面，也可以定义在只有一面暴露于电解液的内壁面上。在Wall对话框中，设置以下参数

对于外部（单侧）壁面，设置边界的电势
通过选择选项Electrochemical Reaction来指定壁面是否为Faradaic壁面
对于Faradaic壁面，可以从Reaction Mechanism下拉框中选择相应的电化学反应机理
若壁面上的电化学反应机理已经定义，则可以通过选择选项Faradaic Heat在能量方程中包含电化学产生的热量

注：对于双侧壁面，只需要指定一侧壁面的电势边界条件即可，软件会将设置的参数自动**到另一侧壁面边界上去。

Step 10：若有必要，也可以在能量方程、连续方程以及组分输运方程中包含额外的源项

Step 11：求解控制。在许多电化学应用中，流体的对流可以忽略，在这种情况下，可以在Equations对话框中禁用Flow方程。同样的，在一些等温模拟中，也可以禁用Energy方程。

注：若电势方程收敛困难，可以在Solution Controls任务页中降低Faradaic Interface Current亚松弛因子以提高计算稳定性。

Step 12：当计算收敛后，可以在后处理查看以下变量

Electric Potential
Electric Conductivity
Faradaic Current Density
Total Surface Corrosion Rate
Electrode Surface Potential
Current Density
Joule Heat Source
Faradaic Heat Source
Total Echem Heat Source
Echem Reaction Rate
Surface Corrosion Rate

3 在能量方程中包含电化学反应

当电化学反应模型被激活后，可以在能量方程中添加两个源项：

焦耳热

可以在Electric Potential对话框中选择选项Include Joule Heating in Energy Equation以包含焦耳热。

电化学反应热

可以通过在边界条件对话框中选择选项Faradaic Heat选项以包含电化学反应热。

4 组分输运方程中加入电化学反应效应

当电化学反应模型启用时，可以在离子组分的组分传输方程中指定一个额外的源：

电场中的组分迁移

可以在组分模型对话框中激活选项Species Migration来实现。

5 连续方程中包含质量传递

当固体物质(腐蚀或沉积)参与电化学反应时，固体物质可以进入或离开流动域。通常固体的传质量很小，在连续性方程中可以忽略不计。但是，如果需要，可以使用以下Scheme命令将质量源包含在连续性方程中：

(rpsetvar ‘potential/corrosion-source-in-continuity? #t)

6 电化学反应的求解

电场与组分之间的强非线性耦合会导致收敛问题。为了提高计算求解的稳定性，可以降低 Faradaic Interface Current 的欠松弛系数。

另外，也可以先禁用选项Include Joule Heating in Energy Equation及Faradaic Heat进行计算，待计算稳定后再开启这两个选项。

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