Fluent 表面化學(xué)反應(yīng)模擬

1、真誠(chéng)為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請(qǐng)指正。導(dǎo)入網(wǎng)格2 定義求解器3 開啟能量方程4 操作工況參數(shù)operating conditions1 操作壓力的介紹關(guān)于參考?jí)毫Φ脑O(shè)定，首先需了解有關(guān)壓力的一些定義。ANSYS FLUENT中有以下幾個(gè)壓力，即Static Pressure（靜壓）、Dynamic Pressure（動(dòng)壓）與Total Pressure（總壓）；Absolute Pressure（絕對(duì)壓力）、Relative Pressure（參考?jí)毫Γ┡cOperating Pressure（操作壓力）。這些壓力間的關(guān)系為，Total Pressure（總壓）=Static Pres

2、sure（靜壓）+Dynamic Pressure（動(dòng)壓）；Absolute Pressure（絕對(duì)壓力）=Operating Pressure（操作壓力）+Gauge Pressure（表壓）。其中，靜壓、動(dòng)壓和總壓是流體力學(xué)中關(guān)于壓力的概念。靜壓是測(cè)量到的壓力，動(dòng)壓是有關(guān)速度動(dòng)能的壓力，是流動(dòng)速度能量的體現(xiàn)。而絕對(duì)壓力、操作壓力和表壓是FLUENT引入的壓力參考量，在ANSYS FLUENT中，所有設(shè)定的壓力都默認(rèn)為表壓。這是考慮到計(jì)算精度的問題。2 操作壓力的設(shè)定設(shè)定操作壓力時(shí)需要注意的事項(xiàng)如下：l 對(duì)于不可壓縮理想氣體的流動(dòng)，操作壓力的設(shè)定直接影響流體密度的計(jì)算，因?yàn)閷?duì)于理想氣體而言，

3、流動(dòng)的密度由理想氣體方程獲得，理想氣體方程中的壓力為操作壓力。l 對(duì)于低馬赫數(shù)的可壓縮流動(dòng)而言，相比絕對(duì)靜壓，總壓降是很小的，因此其計(jì)算精度很容易受到數(shù)值截?cái)嗾`差的影響。需要采取措施來避免此誤差的形成，ANSYS FLUENT通過采用表壓（由絕對(duì)壓力減去操作壓力）的形式來避免截?cái)嗾`差的形成，操作壓力一般等于流場(chǎng)中的平均總壓。l 對(duì)于高馬赫數(shù)可壓縮流動(dòng)的求解而言，因?yàn)榇藭r(shí)的壓力比低馬赫可壓縮流動(dòng)的大得多，所以求解過程中的截?cái)嗾`差的影響不大，可以不設(shè)定表壓。由于ANSYS FLUENT中所有需輸入的壓力都為表壓，因此此時(shí)可以將操作壓力設(shè)定為0（這樣可以最小化由于壓力脈動(dòng)而引起的誤差），使表壓與絕對(duì)

4、壓力相等。l 如果密度設(shè)定為常數(shù)或者其值由通過溫度變化的函數(shù)獲得，操作壓力并沒有在計(jì)算密度的過程中被使用。l 默認(rèn)的操作壓力為101325Pa。操作壓力的設(shè)定主要基于兩點(diǎn)考慮，一是流動(dòng)馬赫數(shù)的大小，二是密度計(jì)算方法。表格 1 操作壓力的推薦設(shè)置密度關(guān)系式馬赫數(shù)操作壓力理想氣體定律大于0.10或約等于流場(chǎng)的平均壓力理想氣體定律小于0.1約等于流場(chǎng)的平均壓力關(guān)于溫度的函數(shù)不可壓縮不使用常數(shù)不可壓縮不使用不可壓縮的理想氣體不可壓縮約等于流場(chǎng)的平均壓力3 關(guān)于參考?jí)毫ξ恢玫脑O(shè)定對(duì)于不涉及任何壓力邊界條件的不可壓縮流動(dòng)，ANSYS FLUENT在每次迭代后要調(diào)整表壓值。這個(gè)過程通過使用參考?jí)毫ξ恢锰帲ɑ?/p>

5、該位置附近）節(jié)點(diǎn)的壓力完成。因此，參考?jí)毫ξ恢锰幍谋韷簯?yīng)一直為0。如果使用了壓力邊界條件，則不會(huì)使用到上述關(guān)系，因此參考?jí)毫ξ恢貌槐皇褂?。參考?jí)毫ξ恢媚J(rèn)為等于或接近（0，0，0）的節(jié)點(diǎn)中心位置。實(shí)際計(jì)算中可能需要設(shè)置參考?jí)毫ξ恢玫浇^對(duì)靜壓已知的位置處。在Operating Conditions對(duì)話框中的Reference Pressure Location選項(xiàng)組中設(shè)置新的參考?jí)毫ξ恢玫膞，y，z的坐標(biāo)即可。如果要考慮某一方向的加速度，如重力，可以勾選Gravity復(fù)選框。對(duì)于VOF計(jì)算，應(yīng)當(dāng)選擇Specified Operating Density，并且在Operating Density

6、下為最輕相設(shè)置密度。這樣做排除了水力靜壓的積累，提高了round-off精度為動(dòng)量平衡。同樣需要打開 Implicit Body Force，部分平衡壓力梯度和動(dòng)量方程中體積力，提高解的收斂性。Reference Pressure Location（參考?jí)簭?qiáng)位置）應(yīng)是位于流體永遠(yuǎn)是100%的某一相（空氣）的區(qū)域，光滑和快速收斂是其基本條件。單擊DefineOperating Conditions。在Operating Pressure中輸入10000 Pa，選中重力Gravity，在Z中輸入9.81 m/s2，Operating Temperature輸入303 K，點(diǎn)擊OK確認(rèn)。5 定義多組

7、分模型（1）在Model（模型）中選擇Species Transport（組元輸運(yùn)）。（2）在Reactions（反應(yīng)）中選擇 Volumetric Reactions（體積反應(yīng)）。（3）在Mixture Material （混合物材料）中選擇所計(jì)算問題中涉及到的反應(yīng)物，則Numberof Volumetric Species（體積組元數(shù)量）中自動(dòng)顯示混合物中的組元數(shù)量。（4）在Turbulence-Chemistry Interaction（湍流與化學(xué)反應(yīng)相干模型）中根據(jù)需要選擇相應(yīng)的模型。如果選擇了Eddy-Dissipation Concept (EDC)，則可以進(jìn)一步修改Volume

8、Fraction Constant（體積濃度常數(shù)）和Time Scale Constant（時(shí)間尺度常數(shù)）（6）如果想完整計(jì)算多組分的擴(kuò)散或熱擴(kuò)散， 就選中Full Multicomponent Diffusion（完整多組分?jǐn)U散）和Thermal Diffusion（熱擴(kuò)散）選項(xiàng)。在上面的設(shè)置過程中，如果需要查看混合物中組分和化學(xué)反應(yīng)的相關(guān)設(shè)置，可以在Species（組元）面板中，點(diǎn)擊Mixture Material（混合物材料）右邊的View（觀看）按鈕。如果計(jì)算中用到的混合物模型是一種新的混合物，則需要在Material（材料）面板中創(chuàng)建混合物，然后再將新定義的混合物選作計(jì)算用的混合物。

9、混合物的定義過程包含組分選取、反應(yīng)模型設(shè)定、反應(yīng)機(jī)制設(shè)定等幾個(gè)步驟，下面逐一介紹。層流條件下，Model模型中只能選擇Species Transport組元運(yùn)輸一項(xiàng)。Turbulence-Chemistry Interaction（湍流與化學(xué)反應(yīng)相干模型）中也只有一項(xiàng)。在Models中選中Species Transport單選按鈕，在Reactions中選中Volumetric和Wall surface復(fù)選框，在Wall Surface Reaction Options中選中Mass Deposition Source復(fù)選框，在Options中選擇Inlet Diffusion, Full M

10、ulticomponent Diffusion， Thermal Diffusion復(fù)選框，單擊OK按鈕確認(rèn)。6 設(shè)置材料1) 添加砷化氫arsine 1，雙擊air2，在name中輸入arsine和chemical formula處輸入ash3；比熱容cp選擇kinetic-theory；導(dǎo)熱系數(shù)thermal conductivity選擇kinetic-theory；粘度viscosity選擇kinetic-theory；分子量molecular weight選擇constant為77.95；標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)焓standard state enthalpy為0；標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)熵standard stat

11、e entropy為130579.1；基準(zhǔn)溫度reference temperature為298.15。3，點(diǎn)擊change/create，創(chuàng)建新物質(zhì)，在彈出的是否覆蓋選擇no。4，雙擊arsine在L-J characteristic Length特征長(zhǎng)度輸入4.145 （埃米）；L-J Energy Parameter能量參數(shù)中輸入259.8。單擊Change/Create按鈕。2) 添加三乙基鎵、甲基、氫氣、鎵（固體）、砷（固體）、鎵、砷參數(shù)Ga(CH_3)_三乙基鎵3CH_3甲基H_2氫氣Ga_s鎵As_s砷Ga鎵（固）As砷（固）Nametmgch3ghydro-genga_sas_

12、sgaasChemical Formulagach33ch3h2ga_sas_sgaasCP(specific heat)kinetic-theorykinetic-theorykinetic-theory520.64520.641006.431006.43Thermal conductivitykinetic-theorykinetic-theorykinetic-theory0.01580.0158kinetic-theorykinetic-theoryViscositykinetic-theorykinetic-theorykinetic-theory2.125e-052.125e-05

13、kinetic-theorykinetic-theoryMolecular weight114.83152.0269.7274.9269.7274.92Standard state enthalpy02.044e+0703117.713117.7100Standard state entropy130579.1257367.6130579.1154719.3154719.300reference temperature298.15298.15298.15298.15298.15298.15298.15L-J characteristic Length5.683.7582.827-00L-J E

14、nergy Parameter398148.659.7-00Degree of freedom005-7 編輯組信息1， 修改組命名雙擊mixture-temple，name中輸入gaas_deposition。單擊change，點(diǎn)擊yes確認(rèn)。2， 編輯組分信息在mixture species中組分選取首先進(jìn)入 Materials（材料）面板：Define-Materials.在 Materials（材料）面板上，先在 Name（名稱）中為新的混合物確定一個(gè)名稱，然后在 Material Type（材料類型）里選擇 mixture（混合物）。如果有與目標(biāo)相近的混合物模型，可以在下面的 Mix

15、ture Material（混合物材料）中選擇一樣，比如 methane-air（甲烷空氣），然后在下面 Properties（性能）中做詳細(xì)設(shè)置，即按順序設(shè)置組元、反應(yīng)類型、反應(yīng)機(jī)制等等：（1）點(diǎn)擊 Mixture Species（混合物組元）右邊的 Edit（編輯）按鈕進(jìn)入 Species（組元）面板，如圖 7-11 所示。在 Mixture（混合物）下面有 4 個(gè)框，即 Available Materials（可用材料）， Selected Species（已選組元）， Selected Site Species（已選吸收組元）和 Seleted Solid Species（已選固體組元

16、）。Available Materials（可用材料）是指材料數(shù)據(jù)庫(kù)中可供選用的材料； Selected Species （已選組元）是指當(dāng)前混合物中已經(jīng)選中的組元； Selected Site Species（已選吸收組元）是指在存在物面反應(yīng)的計(jì)算中，氣相混合物中即將通過反應(yīng)被物面吸收的組元； Selected Solid Species（已選固體組元）是指物面反應(yīng)計(jì)算中將從物面進(jìn)入氣流的組元。顯然，如果不存在物面反應(yīng)，則不用考慮后面兩個(gè)方框中的內(nèi)容，整個(gè)設(shè)置過程會(huì)大大簡(jiǎn)化。組元設(shè)置的中心任務(wù)是選擇混合物組元，即設(shè)定 Selected Species（已選組元）的內(nèi)容。在 Materials

17、（材料）面板中，點(diǎn)擊 Database.（數(shù)據(jù)庫(kù)）按鈕打開 Database Materials（數(shù)據(jù)庫(kù)中材料）面板，拷貝所需的組元后，再回到 Species（組元）面板。在拷貝之前，需要確認(rèn) Material Type（材料類型）必須是 fluid（流體）。這里不必?fù)?dān)心如何添加物面反應(yīng)中參與反應(yīng)的固體組元，因?yàn)閷?shí)際上這些組元也會(huì)出現(xiàn)在 fluid（流體）的列表中。在 Selected Species（已選組元）中，最后一項(xiàng)必須是質(zhì)量濃度最大的一個(gè)組元。如果最后一項(xiàng)不是質(zhì)量濃度最大的一項(xiàng)，可以先將質(zhì)量濃度最大的組元從方框中刪除，然后再重新添加進(jìn)來，以保證這個(gè)組元處于方框的底部。添加和刪除操作是

18、通過選擇相應(yīng)的組元，然后點(diǎn)擊 Add（添加）和 Remove（刪除）按鈕實(shí)現(xiàn)的。本例中點(diǎn)擊mixture species旁單擊edit按鈕彈出species（組分）對(duì)話框，調(diào)整各類型組分Selected SpeciesSelected Site SpeciesSeleted Solid Speciesash3ga_sgaga(ch3)3as_sasch3h2注：這里需要設(shè)置好selected species的排列順序，在后面邊界條件設(shè)置中 velocity inlet中species體現(xiàn)的三個(gè)組分，是按順序排列的前三個(gè)化學(xué)反應(yīng)設(shè)定組元設(shè)置完成后，就可以開始設(shè)置組元間的化學(xué)反應(yīng)。在 Materi

19、als（材料）面板中，Reactions（反應(yīng)）下拉列表中顯示的反應(yīng)類型取決于 Species Modal（組元模型）面板中Turbulence-Chemistry Interaction（湍流化學(xué)反應(yīng)相干）模型的設(shè)置如果設(shè)置的是Laminar Finite-Rate（層流有限速率）模型或 EDC 模型，則反應(yīng)類型顯示為 finite-rate（有限速率）； 如果設(shè)置的是 Eddy-Dissipation （渦耗散）模型， 則反應(yīng)類型顯示為 eddy-dissipation（渦耗散）；如果設(shè)置的是 Finite-Rate/Eddy-Dissipation（有限速率/渦耗散）模型，則反應(yīng)類型顯示

20、為 finite-rate/eddy-dissipation（有限速率/渦耗散）。點(diǎn)擊右端的 Edit（編輯）按鈕進(jìn)入 Reactions（反應(yīng)）面板（如圖 7-13 所示），在 Reactions（反應(yīng)）面板中完成對(duì)化學(xué)反應(yīng)模型的設(shè)置?；瘜W(xué)反應(yīng)的設(shè)置主要包括下列幾項(xiàng)內(nèi)容：1）在 Total Number of Reactions（總的反應(yīng)數(shù)量）中設(shè)定總的反應(yīng)數(shù)量；2）在 Reaction Name（反應(yīng)名稱）中指定反應(yīng)名稱；3）在 Reaction ID（反應(yīng)編號(hào)）中指定每個(gè)反應(yīng)的編號(hào)；4）在 Reaction Type（反應(yīng)類型）中指定反應(yīng)類型，即指定反應(yīng)類型為 Volumetric（體積

21、）、 Wall Surface（物面）或 Particle Surface（顆粒表面）；5）在 Number of Reactants（反應(yīng)物數(shù)量）和 Number of Products（生成物數(shù)量）中指定反應(yīng)的反應(yīng)物數(shù)量和生成物數(shù)量。然后在 Species（組元）下拉菜單中選擇反應(yīng)物和生成物，并在 Stoich. Coefficient（反應(yīng)系數(shù)）中設(shè)定組元在指定反應(yīng)方程中的系數(shù)。在 Rate Exponent（速率指數(shù)）中設(shè)定組元的速率指數(shù)，即組元生成速率方程中指定反應(yīng)方程中摩爾濃度項(xiàng)的指數(shù)。6）如果在 Species Modal（組元模型）面板的 Turbulence-Chemistr

22、y Interaction（湍流反應(yīng)相干模型）中選擇的是 laminar finite-rate（層流有限速率）、 finite-rate/eddy-dissipation（有限速率/渦擴(kuò)散）或 EDC 模型時(shí)，則需要根據(jù)反應(yīng)模型設(shè)置 Arrhenius Rate（ Arrhenius 速率）下面的選項(xiàng)。由于篇幅所限，這里不再詳述。7）根據(jù)實(shí)際反應(yīng)過程，確定是否選擇 Include Backward Reaction（包含逆向反應(yīng)）選項(xiàng)。8）如果使用 eddy-dissipation（渦擴(kuò)散）或 finite-rate/eddy-dissipation（有限速率/渦擴(kuò)散）模型，則還需要設(shè)定 M

23、ixing Rate（混合速率）。9）重復(fù) 2）8）步直到設(shè)置完所有反應(yīng)，然后點(diǎn)擊 OK 按鈕完成全部設(shè)定過程。反應(yīng)模型設(shè)定在區(qū)域上定義反應(yīng)機(jī)制本例中，在Reaction旁單擊edit按鈕，在Reaction對(duì)話框，Number of Reactants中輸入2，化學(xué)反應(yīng)輸入數(shù)據(jù)如下表。參數(shù)反應(yīng)一反應(yīng)二Reaction namegallium-depArsenic-depReaction ID12Reaction typeWall surfaceWall surfaceNumber of reactants22Speciesash3，ga_sgach33，as_sStoich. Coeffic

24、ientash3=1，ga_s=1gach33=1，as_s=1Rate exponentash3=1，ga_s=1gach33=1，as_s=1Arrhenius RatePEF=1e+06，AE=0，TE=0.5PEF=1e+12，AE=0，TE=0.5Number of products33Speciesga，as_s，h2as，ga_s，ch3Stoich. Coefficientga=1，as_s=1，h2=1.5as=1，ga_s=1，ch3=3Rate exponentas_s=0，h2=0ga_s=0，ch3=0PEF=Pre-Exponential Factor，AE=Act

25、ivation Energy，TE=Temperature Exponent反應(yīng)機(jī)制設(shè)定FLUENT 中提到的“反應(yīng)機(jī)制（ reaction mechanisms）”指的是局限在特定區(qū)域中的化學(xué)反應(yīng)?！胺磻?yīng)機(jī)制”中涉及的反應(yīng)是前面設(shè)定的化學(xué)反應(yīng)的子集。在 Materials（材料）面板中，點(diǎn)擊 Mechanisms（機(jī)制）旁邊的 Edit（編輯）按鈕，可以打開 Reaction Mechanisms（反應(yīng)機(jī)制）面板，如圖 7-14 所示。具體步驟如下：1、在 Number of Mechanisms（反應(yīng)機(jī)制數(shù)量）中設(shè)定反應(yīng)的數(shù)量。2、設(shè)定 Mechanisms ID（反應(yīng)機(jī)制編號(hào)）。3、設(shè)定

26、 Name（名稱）。4、在 Reaction Type（反應(yīng)類型）中設(shè)定反應(yīng)類型。在反應(yīng)類型確定后，屬于這個(gè)類型的反應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)在 Reactions（反應(yīng)）列表中。5、選定反應(yīng)機(jī)制中包含的反應(yīng)。如果選定的反應(yīng)類型是 Wall Surface（壁面反應(yīng)）并且其中包含吸收反應(yīng)，則還需要對(duì)吸收反應(yīng)進(jìn)行專門的設(shè)定，即設(shè)定 Number of Sites（吸收反應(yīng)數(shù)量）、 Site Name（吸收反應(yīng)名稱）、 Site Density（吸收密度），點(diǎn)擊 Define（定義）按鈕還可以進(jìn)一步選定吸收反應(yīng)中的被吸收組元和被吸收組元的 Initial Site Coverage （初始吸收覆蓋率）等參數(shù)。本例

27、中，在mechanism旁單擊Edit按鈕彈出，reaction mechanisms對(duì)話框。在Number of Mechanisms 中輸入1，Name中輸入gaas-ald，Reaction Type選擇Wall Surface，Reactions中選擇gallium-dep和arsenic-dep，Number of Sites中輸入1，Site Density中輸入1e-08。單擊define 按鈕，在Site parameters對(duì)話框，Total Number of Site Species中輸入2，Initial Site Coverage中g(shù)a_s輸入0.7，as_s輸入0.

28、3。單擊Apply確認(rèn)。在導(dǎo)熱性thermal conductivity選擇mass-weighted-mixing-law，粘度viscosity選擇mass-weighted-mixing-law。在計(jì)算多組元混合物時(shí)，可以在 Thermal Conductivity（導(dǎo)熱系數(shù)）右邊的下拉列表中選擇 mass-weighted-mixing-law（質(zhì)量加權(quán)混合律）定義導(dǎo)熱系數(shù)。如果混合物為理想氣體，則應(yīng)該選擇 ideal-gas-mixing-law（理想氣體混合律）。如果用理想氣體混合律計(jì)算混合物的導(dǎo)熱系數(shù)，則必須同時(shí)使用 ideal-gas-mixing-law（理想氣體混合律）或者

29、 mass-weighted-mixing-law（質(zhì)量加權(quán)混合律）計(jì)算粘性，因?yàn)橹挥羞@兩種方法可以用于指定多組元混合物的粘性多組元混合物的導(dǎo)熱系數(shù)也可以用 UDF（用戶自定義函數(shù)）來定義，其選項(xiàng)為user-defined（用戶定義）或 user-defined-mixing-law（用戶定義混合律），詳細(xì)設(shè)置方法請(qǐng)參見 UDF 的相關(guān)章節(jié)在 FLUENT 中定義組元相關(guān)粘度的步驟如下：在 Viscosity（粘度）右邊的下拉列表中選擇mass-weighted-mixing-law（質(zhì)量加權(quán)混合律）。如果在密度定義中使用了理想氣體定律，則選擇 ideal-gas-mixing-law（理想氣體混合定律）。如