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有限化学反应速率建模

1. 物种迁移和有限速率化学模型

本节介绍了物种运输建模功能，包括有反应和无反应，以及使用模型时提供的输入。有关物种迁移的理论信息，请参阅《理论指南》中的物种迁移和有限速率化学。

请注意，您可能还需要考虑使用以下方法之一对湍流反应火焰进行建模：

非预混系统的混合物分数方法（非预混燃烧建模（第2265页））；

预混系统的反应过程变量方法（预混燃烧建模（第2329页））；

部分预混方法（部分预混燃烧建模（第2336页））；

合成PDF传输方法（建模合成PDF传输问题（第2237页））；

多相物种迁移和有限速率化学（多相流建模（第2687页））；

对于使用Ansys Fluent反应流模型的模拟，可以指定由多达700种化学物质组成的混合物。

下列型号和功能不能用于50种以上的物种：

•基于密度的解算器；

欧拉PDF传输模型；

熔化/凝固模型；

Crevice模型；

热扩散率模型；

表面物种；

场地(Site)物种；

Note: 如果物种模型与多相模型结合使用，如果细胞的体积分数为零，则物种的质量分数可能会在Ansys CFD Post中错误显示。这适用于19.2版之前编写的所有Ansys Fluent文件。

对于在19.2版及更高版本中以传统格式（.dat文件）编写的所有多阶段、多物种模拟，物种的质量分数将无法在Ansys CFD Post中使用，除非您添加物种的质量百分比作为要保存在数据文件中的附加量（通过“数据文件数量”对话框）。

1.2体积反应

以下小节介绍了与体积反应相关的物种迁移和有限速率化学的使用信息。有关体积反应理论背景的更多信息，请参阅理论指南中的体积反应。

1.2.1物种运输和反应建模的用户输入概述

下面列出了解决物种迁移和反应问题的基本步骤。

选择物种运输和体积反应，并指定混合物材料。参见启用物种运输和反应以及选择混合物材料（第2165页）。混合物材料的概念在混合物材料（第2163页）中进行了解释。

如果同时对墙或粒子表面反应进行建模，请选择墙表面和/或粒子表面的反应。详见壁面反应和化学气相沉积（第2204页）颗粒表面反应（第2211页）。

检查和/或确定混合物的性质。见混合物及其组成物种的定义特性（第2179页）。混合物特性包括以下内容：

混合物中的物种；

反应（reaction的复数）；

其他物理特性（例如粘度、比热）；

检查和/或设置混合物中单个物种的特性。见混合物及其组成物种的定义特性（第2179页）。

设置物种细胞区域和边界条件。参见定义细胞区和物种边界条件（第2199页）。

在许多情况下，不需要修改混合物材料的任何物理特性，因为在选择混合物材料时，解算器会从材料数据库中获取物种特性、反应等。但是，某些属性可能未在数据库中定义。如果需要设置任何所需的特性，则在选择材料时会向您发出警告，然后您可以为这些特性指定适当的值。您可能还需要检查其他属性的数据库值，以确保它们对于您的特定应用程序是正确的。有关修改现有混合物材料或从无到有创建新混合物材料的详细信息，请参见定义混合物及其组成物种的特性（第2179页）。对混合物材料的修改可以包括以下内容：

物种的添加或移除；

改变化学反应；

修改混合物的其他材料特性；

修改混合物组成物种的材料特性；

如果求解反应流，通常需要将混合物的比热定义为成分的函数，将每种物质的比热定义作为温度的函数。您可能也希望对其他属性执行同样的操作。默认情况下，数据库中的大多数物种比热都是温度的分段多项式函数，但如果您知道更适合您的问题的函数，您可以选择指定不同的温度相关函数。

1.2.1.1混合材料

混合材料的概念已经在Ansys Fluent中实现，以促进物种传输和反应流的设置。混合材料可以被认为是一组物种和一系列控制它们相互作用的规则。混合物材料带有以下信息：

组成物种列表，称为“流体”材料；

混合定律列表，规定了如果需要成分相关的特性，如何从单个物种的特性中得出混合物特性（密度、粘度、比热等）；

如果需要与成分无关的性质，则直接说明混合物性质；

混合物中单个物种的扩散系数；

与单个物种无关的其他材料特性（例如吸收和散射系数）；

一组反应，包括反应类型（有限速率、涡流耗散等）、化学计量和速率常数；

混合物材料存储在Ansys Fluent材料数据库中。包括许多常见的混合物材料（例如甲烷-空气、丙烷-空气）。通常，在数据库中定义混合物及其组成物种的一步或两步反应机制和许多物理性质。

根据工作流程的顺序，可以通过以下两种方式之一访问Ansys Fluent材料数据库：

通过“物种模型”对话框，然后再启用任何一个物种模型；

在启用一个可用的物种模型后，通过“创建/编辑材质”对话框；

启用其中一个物种模型后，为应用程序选择的混合物材质、其组成流体材质和特性将加载到模拟中。

如果缺少有关选定材料（或组成流体材料）的任何必要信息，解算器将通知您需要指定它。此外，您可以选择修改任何预定义的属性。有关Ansys Fluent数据库特性数据来源的信息，请参见使用“创建/编辑材质”对话框（第1497页）。

例如，如果计划使用全局动力学对甲烷-空气混合物的燃烧进行建模，则无需明确指定反应或反应本身所涉及的物种。

您只需选择甲烷-空气作为要使用的混合物材料，相关物种（CH4、O2、CO2、H2O和N2）和反应数据将从数据库加载到求解器中。

然后，您可以检查物种、反应和其他特性，并定义缺失的任何特性和/或修改要使用不同值或函数的任何特性。

您通常需要定义成分和温度相关的比热，也可能需要将其他特性定义为温度和/或成分的函数。

混合物材料的使用使您可以灵活地从Fluent数据库中选择和加载适合您的情况的许多预定义混合物之一，或者，如果您想创建自己的自定义混合物材料，则可以选择由H2O、O2和N2组成的混合物模板（默认值）。将混合物材质复制到解算器后，可以在“创建/编辑材质”对话框（第4332页）中对其进行修改，如“定义混合物及其组成物种的特性”（第2179页）中所述。

15.1.1.2实现物种运输和反应以及选择混合材料

物种运输和体积反应的问题设置从物种模型对话框开始（图15.1：物种模型对话框（第2165页））。对于涉及多相物种迁移和反应的情况，请参阅《理论指南》中的多相流物种迁移建模。

1. 在“模型”下，选择“物种运输”。

2. 在“反应”下，选择“体积”。

3. 在“混合物属性”下的“混合物材料”下拉列表中，选择要在问题中使用的混合物材料，或者，如果要创建自己的混合物材料时，保留由H2O、O2和N2组成的混合物模板的默认选择。下拉列表包括当前在数据库中定义的所有混合物。如果列出的混合物材料与您想要的混合物相似，您可以选择该材料，并按照“定义混合物及其组成物种的特性”（第2179页）中提供的步骤对其进行修改。选定混合物材料中的物种数量显示在体积物种数量字段中，如果适用，还显示在固体物种数量和场地物种数量字段。要查看所选Fluent数据库混合物材料的混合物组成和反应，请单击“查看…”。。。“混合材料”右侧的按钮。这将打开“Fluent数据库材质”对话框。依次单击视图。。。按钮旁边的混合物物种和反应打开相应的对话框，允许您检查组成物种和反应数据。请注意，在将混合物材质复制到Fluent问题之前，不能编辑混合物属性。因此，在查看混合物属性时，所有相关控件都将变灰。

当通过单击“确定”或“应用”启用物种传输模型时，Ansys Fluent将执行以下操作：

选定的Fluent数据库混合物材料（包括所有组成流体材料（物种）和特性）将自动复制到您的案例中，并显示在树和“材料”任务页面的“混合物”下。；

如果所选混合物材料（或组成流体材料）的任何特性丢失，解算器将向控制台打印所需数据的通知。；

复制混合物材质时，“物种模型”对话框中的“混合物材质”下拉列表将更改为仅包含为Fluent问题定义的混合物。；

视图。。。按钮被“编辑…”替换。。。按钮，使您可以选择从“物种模型”对话框访问“编辑材质”对话框（编辑材质对话框（第4403页））。；

“创建/编辑材质”对话框在“材质类型”下拉列表中列出混合物，允许您访问Fluent混合物材质数据库。如果要检查或修改混合物材料的任何特性，请使用“创建/编辑材料”对话框（第4332页），如“定义混合物及其组成物种的特性”（第2179页）中所述。；

您可以通过从数据库中复制混合物材料（如从Ansys Fluent数据库复制材料（第1500页）所述），或通过创建新混合物（如创建新材料（第1504页）和定义混合物及其组成物种的特性（第2179页）所示），将更多混合物材料添加到案例中。；

4. 选择“湍流化学相互作用（TCI）”建模选项。以下选项可用：

有限速率/无TCI：

仅计算阿伦尼斯速率（见理论指南中的方程7.7），忽略湍流化学相互作用。该模型被推荐用于使用复杂化学的层流或湍流，其中湍流时间尺度预计相对于化学时间尺度是快的，或者其中化学足够复杂，以至于在整个模拟过程中重要的化学时间尺度高度不同。您可以指定以下输入：

每次化学更新的流量迭代次数（仅稳态）：

增加数量减少了化学计算的计算费用。默认情况下，Ansys Fluent将在每次流迭代中更新化学成分一次。当为“化学解算器”选择“无-直接源”选项时，此选项不可用。

侵蚀系数（仅稳态）：

这是一个控制鲁棒性和收敛速度的数值因素。该值的范围在0和1之间，其中0是最稳健的，但收敛速度最慢。“侵略性系数”的默认值为0.5。仅当为“化学解算器”选择了“Stiff Chemistry Solver”或“CHEMKIN CFD Solver”时，此选项才可用。

温度阈值：

反应速率高度依赖于温度。当温度较低时，反应速率相当小，可以忽略不计。这可以在不牺牲精度的情况下降低计算成本。Ansys Fluent将温度低于指定温度阈值的单元格中的化学反应速率设置为零。默认值为200 K。仅当为“化学解算器”选择“Stiff Chemistry Solver”或“CHEMKIN CFD Solver”时，此选项才可用。

有限速率/涡流耗散（仅限湍流）：

计算阿伦尼斯速率和混合速率，并使用两者中较小的一个。

涡流耗散（仅限湍流）：

仅计算混合速率（参见理论指南中的方程7.25和方程7.26）。

涡流耗散概念（仅限湍流）：

模型湍流化学相互作用与详细的化学机制（见理论指南中的方程7.7和方程7.28）。使用此模型时，可以在“EDC模型”组框中选择以下子模型：

常数系数（默认值）：是Fluent理论指南中的标准EDC模型中描述的标准EDC；

部分搅拌反应器：Fluent理论指南中的部分搅拌反应炉EDC模型中是否描述了部分搅拌反应釜EDC模型。对于标准和部分搅拌反应器EDC型号，您可以调整以下参数：

 每次化学更新的流量迭代次数（仅稳态）：增加数量减少了化学计算的计算费用默认情况下，Ansys Fluent将在每次流迭代中更新化学成分一次。

侵蚀系数（仅稳态）：这是一个控制鲁棒性和收敛速度的数值因素。该值的范围在0和1之间，其中0是最稳健的，但收敛速度最慢。“侵略性系数”的默认值为0.5。

 温度阈值：反应速率高度依赖于温度。当温度较低时，反应速率相当小，可以忽略不计。这可以在不牺牲精度的情况下降低计算成本。Ansys Fluent将温度低于指定温度阈值的单元格中的化学反应速率设置为零。默认值为200 K。

对于常系数模型，可以指定以下参数：

体积分数常数：在理论指南中的方程7.30中。建议使用默认值；

时间尺度常数：在理论指南中的方程7.31中。建议使用默认值。

对于部分搅拌反应器模型，您可以在Fluent理论指南中的方程7.36中选择要计算的混合模型：

常数Cmix：设置为混合常数中指定的常数值；

动态Cmix（默认值）：通过Fluent Theory Guide中的方程7.37计算，Fluent Theology Guide中方程7.38中的分形维数在fractal dimension中指定；

此外，您可以使用自己编译的用户定义函数来计算EDC标度，并修改DEFINE_EDC_scales和DEFINE中所述的反应速率。

5. 从“化学解算器”下拉列表中，为模拟选择解算器（请注意，下拉列表中可用的解算器取决于选定的湍流化学交互模型）：

如果希望刚性化学物质在不解决反应的情况下松弛到化学平衡，请选择“松弛到化学均衡”。此选项不适用于涡流耗散概念。有关弛豫到化学平衡模型的信息，请参阅理论指南中的弛豫到化学品平衡模型。

Important: 松弛到化学平衡化学求解器需要所有物种的热力学数据来计算化学平衡。您可以使用“导入CHEMKIN格式机构”对话框（通过单击“导入CHEMKIN机构…”打开）提供自己的数据库（有关详细信息，请参阅“以CHEMKIN形式导入体积动力学机构”（第2173页）和“以CHEMKIN形式导入表面动力学机构”）。文件中还包含一个示例数据库/fluentx.x/propep/data/thermo.db。如果您在Ansys Fluent中定义自己的物种（由“创建/编辑材料”对话框中的“化学公式”确定），并且该物种名称不在thermo.db文件中，则Ansys Fluert将报告错误。为了克服这个错误，您必须手动在thermo文件中输入所有未知物种。

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