Fluent模型使用技巧

1、 計算。大部分燃料快速燃燒。整體反應速率由湍流混合控制。在非預混火焰中，湍流緩慢地通過對流/混合燃料和氧化劑進入反應區(qū)，在反應區(qū)它們快速地燃燒。在預混火焰中，湍流對流/混合冷的反應物和熱的生成物進入反應區(qū)，在反應區(qū)迅速地發(fā)生反應。在這些情況下，燃燒稱為混合限制的，復雜，常常是未知的化學反應動力學速率可以安全地忽略掉。（3）渦耗散概念（EDC）模型：細致的Arrhenius化學動力學在湍流火焰中合并。注意詳盡的化學動力學計算代價高昂。該模型是渦耗散模型的擴展，以在湍流流動中包括詳細的化學反應機理。它假定反應發(fā)生在小的湍流結構中，稱為良好尺度。在FLUENT中，良好尺度中的燃燒視為發(fā)生在定壓反應器

2、中，初始條件取為單元中當前的物質和溫度。EDC模型能在湍流反應流動中合并詳細的化學反應機理。但是，典型的機理具有不同的剛性，它們的數值積分計算開銷很大。因而，只有在快速化學反應假定無效的情況下才能使用這一模型，例如在快速熄滅火焰中緩慢的CO燒盡、在選擇性非催化還原中的NO轉化。推薦使用雙精度求解器以避免剛性機理中固有的大指數前因子和活化能產生的舍入誤差。其中，通用有限速率對于范圍很廣的應用，包括層流或湍流反應系統(tǒng)，預混、非預混、部分預混燃燒系統(tǒng)都適用?；旌衔锊牧匣旌衔锊牧虾土黧w材料都儲存在FLUENT的材料數據庫中。包括許多常見的混合物材料（如甲烷-空氣，丙烷-空氣）。通常，在數據庫中定義了一

3、步/兩步反應機理和大量混合物及其構成物質的屬性。當你指定了你希望使用哪種混合物材料后，適當的混合物材料，流體材料和屬性將被裝載到求解器中。如果缺少任何所選材料（或構成流體材料）必須的屬性，求解器將通知你需要指定它。另外，你可以選擇修改任何預定義的屬性。有關FLUENT數據庫屬性數據源的信息。例如，如果你計劃模擬一種甲烷-空氣的燃燒，你不需要明確指定反應中涉及的物質和反應本身。只需要簡單地選擇甲烷-空氣作為使用的混合物材料，相關的物質（CH4，02，CO2,H2O和N2）和反應數據將從數據庫裝入求解器。然后你可以檢查物質、反應和其它屬性并定義其它任何缺少的屬性，和/或修改任何你希望使用不同值或函

4、數的屬性。通常你希望定義一個與組分、溫度相關的比熱，還可能希望將其它屬性定義為溫度和/或組分的函數?；旌衔锊牧系氖褂媒o你提供了一種靈活性，可以使用大量預定義混合物中的一種，修改這些混合物，或是創(chuàng)建你自己的混合物材料。自定義混合物材料在Materials面板中進行。選定物質輸送和反應，并選擇混合物材料選定物質輸送和反應，并選擇混合物材料在Model下，選擇SpeciesTransport.在Reaction下，選擇Volumetricreactions在MixtureProperties下的MixtureMaterial下拉列表中選擇在你的問題中希望使用的混合物材料選擇湍流-化學反應相互作用模型

5、，可以使用4種模型：（1）層流有限速率：只計算Arrhenius速率，并忽略湍流-化學反應相互作用。（2）渦耗散模型（針對湍流流動）：只計算混合速率。（3）有限速率/渦耗散模型（針對湍流流動）：計算Arrhenius速率和混合速率，并使用其中較小的一個。（4）EDC模型（湍流流動）：使用詳細的化學反應機理模擬湍流-化學反應相互作用。如果你選擇EDC模型，你可以選擇修改容積比率常數和時間尺度常數，盡管通常推薦缺省值。此外，為減少化學反應計算的開銷，你可以增加每次化學反應更新的流動迭代（FlowIterationPerChemistryUpdate）次數。缺省時，FLUENT每十次流動迭代更新化學

6、反應一次。（可選）如果你希望模擬完整的多組分擴散或熱擴散，打開完整多組分擴散或熱擴散FullMulticomponentDiffusion或ThermalDiffusion選項。定義混合物中的物質在Materials面板中，檢查材料類型MaterialType是否已經設置為混合物，并且你的混合物是否已經在混合物材料列表MixtureMaterialslist中選定。點擊MixtureSpecies右邊的Edit.按紐打開Species面板。在Species面板中，已選物質SelectedSpecies列表顯示所有混合物中的流體相物質。如果你模擬壁面或微粒表面反應，已選物質SelectedSpe

7、cies列表將顯示所有混合物中的表面物質。表面物質是那些從壁面邊界或是離散相微粒（如Si（s）產生或散發(fā)出來的，以及在流體相物質中不存在的物質。*【已選物質SelectedSpecies列表中物質的順序非常重要。FLUENT認為列表中最后的物質是大量的物質。因此，當你從混合物材料中增加或是刪除物質時，必須小心將最豐富（按質量）的物質作為最后一個物質。】定義反應在Materials面板的Reaction下拉列表中顯示適當的反應機理，依賴于你在SpeciesModel面板中選擇的湍流-化學反應相互作用模型。如果你使用層流有限速率或EDC模型,反應機理將是有限速率的，如果你使用渦耗散模型，反應機理將

8、是渦耗散的；如果使用有限速率/渦耗散模型，反應機理將是有限速率/渦耗散的。反應定義的輸入為定義反應，點擊Reaction右側的Edit.按紐。將打開Reaction面板（圖13.1.4）。定義反應的步驟如下：在TotalNumberofReaction區(qū)域中設定反應數目（容積反應，壁面反應和微粒表面反應）【注意如果你的模型包括離散相的燃燒微粒，只有在你計劃使用表面燃燒的多表面反應模型時，才必須在反應數目中包括部分表面反應（s）（如碳的燃燒，多樣碳粒氧化）】設定你希望定義的反應的ReactionID如果是流體相反應，保持缺省選項Volumetric作為反應類型。如果是壁面反應或者顆粒表面反應，選

9、擇WallSurface或Particlereaction作為反應類型。通過增加NumberofReactants和NumberofProducts的值指定反應中涉及的反應物和生成物的數量。在Species下拉列表中選擇每一種反應物或生成物，然后在Stoich.Coefficient和RateExponent區(qū)域中設定它的化學計量系數和速率指數。共有兩種普通類型的反應可以在Reactions面板中處理。因此正確輸入每種反應的參數非常重要。反應的類型如下：（1）整體正向反應（無逆向反應）：產物一般不影響正向速率，因此所有產物的速率指數應該為0。對于反應物，設定速率指數為期望的值（如何設？）。如果

10、某種反應不是基元反應，速率指數一般不等于這種物質的化學計量系數?！咀⒁猓涸谀承┣闆r下，你可能希望模擬產物影響正向速率的反應。對于這些情況，設定產物速率指數為期望的值（如何設？）】（2）可逆反應：假定每種物質的化學計量系數等于速率指數。如果你使用層流/有限速率或是EDC模型模擬湍流-化學反應的相互作用，且反應是可逆的，則打開對于ArrheniusRate的IncludeBackwardReaction選項。當選定這一選項時，你將不能編輯產物的RateExponent，這些值將被設定為與相應的Stoich.系數相等。如果你不希望使用FLUENT的缺省值，或者你在定義你自己的反應，你將還需要指定標準

11、狀態(tài)觴和標準狀態(tài)焓，以在逆向反應速率常數計算中使用?！咀⒁饪赡娣磻x項對于渦耗散或有限速率/渦耗散湍流-化學反應相互作用模型是不可獲得的?！咳绻闶褂猛牧?化學反應相互作用的渦耗散或有限速率/渦耗散模型，你可以在MixingRate標題下輸入A和B的值。但是注意除非你有可靠的數據，不要改變這些值/在大多數情況下，你只需要簡單地使用缺省值。A是湍流混合速率的常數A,當一種物質作為反應物在反應中出現時用于這種物質。缺省值為4.0,根據Magnussen等人給出的經驗值。B是湍流混合速率的常數B,當一種物質作為產物在反應中出現時用于這種物質。缺省值為0.5,根據Magnussen等人給出的經驗值。5

12、對于每一種你需要定義的反應重復步驟2-4。完成所有反應后，點OK。定義物質邊界條件在你的模擬中，需要指定入口處每種物質的質量分數。另外，對于壓力出口，你需要指定出口處的物質質量分數以在回流情況中使用。在壁面上，FLUENT將對所有物質使用0梯度（0通量）邊界條件，除非你已經在壁面上定義了表面反應或是你選擇指定壁面上的物質質量分數?！咀⒁饽阒恍枰鞔_指定前N-1種物質的質量分數。求解器通過用1減去指定物質質量分數的和來計算最后一種物質的質量分數，如果你需要明確指定最后一種物質的質量分數，你必須在列表中（Materials面板）記錄這種物質】進口處的擴散，使用非耦合求解器當使用非耦合求解器時，沒有

13、指定入口處的物質擴散部分（因此也沒有凈入口輸送量）在某些情況下，你可能希望通過你的計算區(qū)域入口的只有物質的對流輸送。你可以通過取消進口物質擴散做到這一點。在缺省狀態(tài)下，FLUENT在入口包括物質的擴散通量。為關閉入口擴散，使用define/models/species-transport/inlet-diffusion?Text命令?；瘜W混合和有限速率反應的求解步驟盡管許多涉及化學物質的模擬在求解過程中不需要特殊的步驟，你可能發(fā)現本節(jié)中提供的一種或多種求解技術會對加速收斂或提高更復雜模擬的穩(wěn)定性有所幫助。如果你的問題涉及許多物質和/或化學反應，尤其是模擬燃燒流動時，以下列出的技術可能特別重要。

14、1反應流中的穩(wěn)定性和收斂在反應流中獲得收斂解非常困難，有很多原因。首先，化學反應對基本流型的影響可能非常強烈，導致模型中質量/動量平衡和物質輸運方程的強烈耦合。在燃燒中，反應導致大的熱量釋放和相應的密度變化以及流動中很大的加速度，上述耦合尤其明顯。但是，當流動屬性依賴于物質濃度時，所有的反應系統(tǒng)都具有一定程度的耦合。處理這些耦合問題的最好方法是使用下面介紹的兩步求解過程。反應流中的第二個收斂問題涉及反應源項的強度。當你的FLUENT模型涉及非?？斓姆磻俾剩幢葘α骱蛿U散速率快得多），物質輸運方程的求解在數值上非常困難。這種系統(tǒng)稱為“剛性”系統(tǒng)，當你定義涉及非?？斓膭恿λ俣鹊哪Ｐ停绕涫沁@些速

15、度描述可逆反應或競爭反應，這種系統(tǒng)得以創(chuàng)建。在渦耗散模型中，較慢的湍流速率去除了非常快的反應速率。對非預混系統(tǒng)，反應速率從模型中去除。對于層流化學反應的剛性系統(tǒng)，推薦使用耦合求解器代替非耦合求解器。對湍流有限速率機理（可能是剛性的），推薦使用EDC模型,這一模型對化學反應使用一個剛性的ODE積分器。求解剛性化學反應系統(tǒng)的其它指南見下述內容。兩步求解過程（冷流動模擬）將一個反應流動作為兩步過程求解對于獲得你的FLUENT問題的穩(wěn)定收斂解是一個實用的方法。在這一過程中，你從求解不帶反應的流動、能量和物質方程（“冷流動”，或無反應流動）開始。當建立基本的流型后，你可以再選擇反應，并重新開始計算。冷流

16、動求解提供了燃燒系統(tǒng)計算的初始解。這種燃燒模擬的兩步方法可以采用以下步驟完成：（1）設定包括所有感興趣物質和反應的問題（2）通過關閉SpeciesModel面板中的VolumetricReactions選項暫時不選擇反應計算（3）關閉SolutionControls面板中的產物計算（4）計算初始解（冷流動）。（注意通常獲得完全收斂的冷流動解沒有實際價值，除非你對無反應解也有興趣）（5）打開SpeciesModel面板中的VolumetricReactions選項使能反應計算（6）打開所有反應。如果你使用層流有限速率、有限速率/渦耗散，或是EDC模型模擬湍流-化學反應相互作用，你可能需要增添一個

17、點火源密度欠松弛燃燒模擬難以收斂的一個主要原因是溫度的劇烈變化引起密度的劇烈變化，從而導師流動求解的不穩(wěn)定性。當你使用非耦合求解器時，FLUENT允許你欠松弛密度的這種變化以降低收斂的困難。密度欠松弛因子的缺省值為1，如果你遇到收斂問題，你可以將這個值減少到0.5到1之間（在SolutionControls面板中）。燃燒模擬的點火如果你將燃料引入氧化劑，自發(fā)的點火不會發(fā)生，除非混合物的溫度超過了維持燃燒所需要的活化能閾值。這一物理問題在FLUENT中也會出現。如果你使用層流有限速率、有限速率/渦耗散或EDC模型模擬湍流-化學反應相互作用，你將不得不提供一個點火源以啟動燃燒。這個點火源可以是加熱

18、的表面或溫度超過點火溫度的入口質量流。但是，這常常等同于一個火花：一個初始求解狀態(tài)使得燃燒可以進行。你可以通過在FLUENT模型中一個包含有足夠燃料/空氣混合物以使點火能發(fā)生的區(qū)域給一個高的溫度，來提供這個初始火花。|弘卜忙|Initi目1心匚寸小.根據模型的不同，你可能需要提供溫度和燃料/氧化劑/產物濃度以在你的模型中產生點火。點火。這種補綴對于最終的穩(wěn)態(tài)解沒有影響不超過火柴的位置對它點燃的火炬最終流型的影響。剛性層流化學反應系統(tǒng)的求解當使用層流有限速率模型模擬層流反應系統(tǒng)時，你可能需要在反應機理是剛性的時候使用耦合求解器。EDC模型求解步驟如果你使用EDC模型，推薦使用雙精度求解器(見1.

19、5節(jié))，以避免剛性機理中固有的大指數前因子和活化能產生的截斷誤差。由于EDC模型需要很大的計算開銷，建議你采用以下步驟，以用非耦合求解器得到解：(1)用渦耗散模型和簡單的單步或兩步放熱機理計算一個初始解。用適當的物質使能EDC化學反應機理。如果你有一個CHEMKIN格式的機理，如何將它導入。如果物質的數目和反應順序改變，你將需要改變物質邊界條件DefineBoundarytoncliTioris.通過關閉SpeciesModel面板中的VolumetricReaction選項暫時取消反應計算。在SolutionControls面板中只使能物質方程的求解。對物質混合場計算一個解。打開Specie

20、sModel面板中的VolumetricReaction選項，選定反應計算，并在Turbulence-ChemistryInteraction下選擇EDC模型。在SolutionControls面板中使能Energy方程的求解。對復合了物質和溫度的場計算一個解。如果火焰吹熄，你可能還需要補綴一個高溫區(qū)域。(10)打開所有方程。(11)計算最終解。*壁面反應的用戶輸入1.在SpeciesModel面板中：I%f悵|-【也也Species使能SpeciesTransport，選擇Reactions下的Volumetric和WallSurface，并指定MixtureMaterial。(可選)如果希

21、望模擬壁面反應的放熱，打開HeatofSurfaceReactions選項。(可選)如果希望在連續(xù)性方程中包括表面質量輸運的影響，打開MassDepositionSource選項。(可選)如果使用非耦合求解器，并且不希望在能量方程中包括物質擴散的影響，關閉DiffusionEnergySource選項。、(可選，但對CVD推薦)如果希望模擬完整的多組分擴散或熱擴散，打開FullMulticomponentDiffusion或ThermalDiffusion選項。2.2.檢查和/或定義混合物屬性Define你將在FluidMaterials列表中找到所有物質(包括表面物質)注意如果你的模型中包括

22、稀釋混合物中的物質，SelectecdSpecies列表中的最終氣相物質必須是載體氣體。（因為FLUENT不會求解最后物質的輸運方程。）還需要注意的是任何物質的重排、增減都必須小心處理，3檢查和/或設定混合物中單獨物質的屬性。注意如果你模擬表面反應的放熱，你必須檢查（或定義）每種物質的生成焓。4.設置物質邊界條件IDefi門亡|EounchiryCancitio門4.設置物質邊界條件你還需要指定表面反應對每個壁面是否有效，并考慮熱邊界條件的選擇。為使能一個壁面上的表面反應影響，在Wall面板的Species區(qū)域打開SurfaceReactions選項?！?當在一個給定壁面使能表面反應后，這一壁面上對混合物材料定義的所有表面反應都被激活?！勘诿娣磻那蠼膺^程正如所有的CFD模擬一樣，如果模擬從一個簡單的問題描述開始，在求解向前推進時增加復雜性，可能會使你的表面反應模擬工作更加成功。另外，如果你模擬表面反應的放熱，而且遇到了收斂性方面的麻煩，你可以嘗試暫時關閉SpeciesModel面板中的Surfacereactions和MassDepositionSource選項4。表面反應的后處理對壁面反應，除了前面列出的變量之外，你還可以顯