第13章 物质输送和有限速率化学反应.docx

本文格式为Word版，下载可任意编辑第13章 物质输送和有限速率化学反应 第十三章 物质输送和有限速率化学回响 FLUENT可以通过求解描述每种组成物质的对流、分散和回响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回响，回响可以是发生在大量相（容积回响）中，和/或是壁面、微粒的外观包括回响或不包括回响的物质输运模拟才能，以及当使用这一模型时的输入将在本章中表达 留神你可能还梦想使用混合物成分的方法（对非预混系统，在14章介绍）、回响进程变量的方法（对预混系统，在15章介绍），或片面预混方法（在16章介绍）来模拟你的回响系统见12章FLUENT中回响模拟方法的概述 本章中的分为以下章节： ? 13.1 容积回响 ? 13.2 壁面外观回响和化学蒸汽沉积 ? 13.3 微粒外观回响 ? 13.4 无回响物质输运 13．1 容积回响 与容积回响有关的物质输运和有限速率化学回响方面的信息在以下小节中给出： ? 13.1.1 理论 ? 13.1.2 模拟物质输运和回响的用户输入概述 ? 13.1.3 使能物质输运和回响，并选择混合物材料 ? 13.1.4 混合物和构成物质的属性定义 ? 13.1.5 定义物质的边界条件 ? 13.1.6 定义化学物质的其他源项 ? 13.1.7 化学混合和有限速率化学回响的求解过程 ? 13.1.8 物质计算的后处理 ? 13.1.9 从CHEMKIN导入一个化学回响机理 13.1.1 理论 物质输运方程 当你选择解化学物质的守恒方程时，FLUENT通过第i种物质的对流分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： ?????Yi??????vYi????Ji?Ri?Si （13.1-1） ?t其中Ri是化学回响的净产生速率（在本节稍后解释），Si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展现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务必为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种物质务必选择质量分数最大的物质，譬如氧化物是空气时的N2 层流中的质量分散 在方程13.1-1中，Ji是物质i的分散通量，由浓度梯度产生缺省时，FLUENT使用稀释近似，这样分散通量可记为： Ji???Di,m?Yi （13.1.2） 这里Di,m是混合物中第i种物质的分散系数 对于确定的层流滚动，稀释近似可能是不能采纳的，需要完整的多组分分散在这些例子中，可以解Maxwell-Stefan方程，细致处境见7.7.2节 湍流中的质量分散 在湍流中，FLUENT以如下形式计算质量分散： ???t?Ji????D??i,mSc???Yi (13.1.3) t??其中Sct是湍流施密特数， ?t（缺省设置值为0.7）。

?Dt留神，湍流分散一般吞噬层流分散，在湍流中指定细致的层流性质是不允许的 能量方程中的物质输送处理 在大量多组分混合滚动中，物质分散导致了焓的传递 ?n?????hiJi? ?i?1?这种分散对于焓场有重要影响，不能被疏忽更加是，当全体物质的Lewis数 Lei?k （13.1-4） ?cpDi,m远离1时，疏忽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中，k为热导率 进口处的分散 在FLUENT的非耦合求解器中，入口的物质净输送量由对流量和分散量组成，对耦合解算器，只包括对流片面对流片面由你指定的物质浓度确定分散片面凭借于计算得到的物质浓度场因此，分散片面（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 回响建模的一般有限速率形式 回响速率作为源项在方程13.1-1中展现，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：疏忽湍流脉动的影响，回响速率根据Arrhenius公式确定 涡耗散模型：认为回响速率由湍流操纵，因此避开了代价振奋的Arrhenius化学动力学计算。

涡耗散概念（EDC）模型：细致的Arrhenius化学动力学在湍流火焰中合并留神详尽的化学动力学计算代价振奋 通用有限速率对于范围很广的应用，包括层流或湍流回响系统，预混、非预混、片面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，疏忽湍流脉动的影响这一模型对于层流火焰是切实的，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回响相对缓慢、湍流脉动较小的燃烧，如超音速火焰可能是可以采纳的 化学物质i的化学回响净源项通过有其加入的NR个化学回响的Arrhenius回响源的和计算得到 ? Ri?Mw,i?Ri,ri?1Nr?为第i种物质在第r个回响中的产生/分解速率回响可能发生在其中Mw,i是第i种物质的分子量，Ri,r连续相回响的连续相之间，或是在外观沉积的壁面处，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个回响： ??i?1N'i,rMi??????i'',rMi （13.1-6） kb,ri?1N其中N——系统中化学物质数目； ?i',r——回响r中回响物i的化学计量系数; ?i'',r——回响r中生成物i的化学计量系数; Mi——第i种物质的符号； kf,r——回响r的正向速率常数； kb,r——回响r的逆向速率常数； 方程13.1-6对于可逆和不成逆回响（FLUENT中缺省为不成逆）都适用。

对于不成逆回响，逆向速率常数kb,r简朴地被疏忽 方程13.1-6中的和是针对系统中的全体物质，但只有作为回响物或生成物展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除掉 回响r中物质i的产生/分解摩尔速度以如下公式给出： ????Ri,r?''i,r??'i,r?NrNr??'?kf,r?Cj,r?j,r?kb,r?Cj,r?'j',r? （13.1-7） ??j?1j?1??????其中：Nr——回响r 的化学物质数目； Cj,r——回响r中每种回响物或生成物j的摩尔浓度； ?'j,r——回响r中每种回响物或生成物j的正向回响速度指数； ?'j',r——回响r中每种回响物或生成物j的逆向回响速度指数； 见13.1.4节有关输入整体正向回响（不成逆）和单元回响（可逆）的化学计量系数和速率指数方面的内容 ? 表示第三体对回响速率的净影响这一项由下式给出： 其中?j,r为第r个回响中第j种物质的第三体影响在缺省状态，FLUENT在回响速率计算中不 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。

回响r的前向速率常数kf,r通过Arrhenius公式计算： 其中，Ar——指数前因子（恒定单位）； ； ?r——温度指数（无量纲） Er——回响活化能(J/kmol); R——气体常数（J/kmol?K） ???你（或者数据库）可以在FLUENT的问题定义中供给?i?,r,?i??,r,?j,r,?j,r,?r,Ar,Er，并可选择 供给?j,r 假设回响是可逆的，逆向回响常数kb,r可以根据以下关系从正向回响常数计算： 其中Kr为平衡常数，从下式计算： 其中patm表示大气压力（101325Pa）指数函数中的项表示Gibbs自由能的变化，其各片面按下式计算： 其中Si0和hi0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 压力独立回响 FLUENT可以用以下三种方法之一来表示压力独立回响（或压力下降）回响的速率表达式压力下 降”回响是发生在Arrhenius 高压和低压限制之间的回响，因而不仅仅凭借于温度 有三种方法表示在“fall-off”区域的速率表达式，最简朴的是Lindemann[140]形式。

还有其它良种相关的方法，Troe方法[77]和SRI方法[230]，它们供给了更精确的”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k和低压限制klow的参数如下： 其中pr定义为： 在任意压力下，净回响速率常数为： ?M?为溶液气体的浓度，可以包括第三体效率假设方程13.1-16函数F为1，那么是Lindemann形式 FLUENT供给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?,T3,T2,T1做为输入确定 在SRI方法中，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，你还需要供给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猛烈耦合的方程求解过程指导见13.1.7节 — 8 —。