Fluent 表面化學(xué)反應(yīng)模擬

1、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)于參考壓力的設(shè)定，首先需了解有關(guān)壓力的一些定義。ANSYS FLUENT中有以下幾個壓力，即Static Pressure（靜壓）、Dynamic Pressure（動壓）與Total Pressure（總壓）；Absolute Pressure（絕對壓力）、Relative Pressure（參考壓力）與Operating Pressure（操作壓力）。這些壓力間的關(guān)系為，Total Pressure（總壓）=Static Pressure（靜壓）+Dynamic Pressur

2、e（動壓）；Absolute Pressure（絕對壓力）=Operating Pressure（操作壓力）+Gauge Pressure（表壓）。其中，靜壓、動壓和總壓是流體力學(xué)中關(guān)于壓力的概念。靜壓是測量到的壓力，動壓是有關(guān)速度動能的壓力，是流動速度能量的體現(xiàn)。而絕對壓力、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。這是考慮到計算精度的問題。2 操作壓力的設(shè)定設(shè)定操作壓力時需要注意的事項如下：l 對于不可壓縮理想氣體的流動，操作壓力的設(shè)定直接影響流體密度的計算，因為對于理想氣體而言，流動的密度由理想氣體方程獲得，理想氣體方程中的壓

3、力為操作壓力。l 對于低馬赫數(shù)的可壓縮流動而言，相比絕對靜壓，總壓降是很小的，因此其計算精度很容易受到數(shù)值截斷誤差的影響。需要采取措施來避免此誤差的形成，ANSYS FLUENT通過采用表壓（由絕對壓力減去操作壓力）的形式來避免截斷誤差的形成，操作壓力一般等于流場中的平均總壓。l 對于高馬赫數(shù)可壓縮流動的求解而言，因為此時的壓力比低馬赫可壓縮流動的大得多，所以求解過程中的截斷誤差的影響不大，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而引起的誤差），使表壓與絕對壓力相等。l 如果密度設(shè)定為常數(shù)或者其值由通過溫

4、度變化的函數(shù)獲得，操作壓力并沒有在計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)定主要基于兩點考慮，一是流動馬赫數(shù)的大小，二是密度計算方法。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或約等于流場的平均壓力理想氣體定律小于0.1約等于流場的平均壓力關(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的平均壓力3 關(guān)于參考壓力位置的設(shè)定對于不涉及任何壓力邊界條件的不可壓縮流動，ANSYS FLUENT在每次迭代后要調(diào)整表壓值。這個過程通過使用參考壓力位置處（或該位置附近）節(jié)點的壓力完成。因此，參考壓力位置處

5、的表壓應(yīng)一直為0。如果使用了壓力邊界條件，則不會使用到上述關(guān)系，因此參考壓力位置不被使用。參考壓力位置默認(rèn)為等于或接近（0，0，0）的節(jié)點中心位置。實際計算中可能需要設(shè)置參考壓力位置到絕對靜壓已知的位置處。在Operating Conditions對話框中的Reference Pressure Location選項組中設(shè)置新的參考壓力位置的x，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。對于VOF計算，應(yīng)當(dāng)選擇Specified Operating Density，并且在Operating Density 下為最輕相設(shè)置密度。這樣做排除了水力靜壓的積累，

6、提高了round-off精度為動量平衡。同樣需要打開 Implicit Body Force，部分平衡壓力梯度和動量方程中體積力，提高解的收斂性。Reference Pressure Location（參考壓強(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，點擊OK確認(rèn)。5 定義多組分模型（1）在Model（模型）中選擇Speci

7、es 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 Fraction Constant（體積濃度常數(shù)

8、）和Time Scale Constant（時間尺度常數(shù)）（6）如果想完整計算多組分的擴(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。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，點擊Mixture Material（混合物材料）右邊的View（觀看）按鈕。如果計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算用的混合物?；旌衔锏亩x過程包含組分選取、反應(yīng)模型設(shè)定、反應(yīng)

9、機(jī)制設(shè)定等幾個步驟，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。Turbulence-Chemistry Interaction（湍流與化學(xué)反應(yīng)相干模型）中也只有一項。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 Multicomponent Diffusion，

10、 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 state entropy為130579.1；基準(zhǔn)溫度r

11、eference temperature為298.15。3，點擊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_sgaasChemical Formulagac

12、h33ch3h2ga_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-05kinetic-theorykinetic-th

13、eoryMolecular 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 Energy Parameter398148.65

14、9.7-00Degree 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 Mixture Material（混合物材料）

15、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）。Available Material

16、s（可用材料）是指材料數(shù)據(jù)庫中可供選用的材料； 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方框中的內(nèi)容，整個設(shè)置過程會大大簡化。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（材料）面板中，點擊 Database.

17、（數(shù)據(jù)庫）按鈕打開 Database Materials（數(shù)據(jù)庫中材料）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，因為實際上這些組元也會出現(xiàn)在 fluid（流體）的列表中。在 Selected Species（已選組元）中，最后一項必須是質(zhì)量濃度最大的一個組元。如果最后一項不是質(zhì)量濃度最大的一項，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，以保證這個組元處于方框的底部。添加和刪除操作是通過選擇相應(yīng)的組元，然后點擊 Add（添

18、加）和 Remove（刪除）按鈕實現(xiàn)的。本例中點擊mixture species旁單擊edit按鈕彈出species（組分）對話框，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)的三個組分，是按順序排列的前三個化學(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 Materials（材料）面板中，Reactions

19、（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)類型顯示為 finite-rate/eddy-d

20、issipation（有限速率/渦耗散）。點擊右端的 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）中指定每個反應(yīng)的編號；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）、 Wall Surface（物面）或

21、 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)方程中摩爾濃度項的指數(shù)。6）如果在 Species Modal（組元模型）面板的 Turbulence-Chemistry Interaction（湍流反應(yīng)相干

22、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，則需要根據(jù)反應(yīng)模型設(shè)置 Arrhenius Rate（ Arrhenius 速率）下面的選項。由于篇幅所限，這里不再詳述。7）根據(jù)實際反應(yīng)過程，確定是否選擇 Include Backward Reaction（包含逆向反應(yīng)）選項。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 Mixing Rate（混合速率）。9）重

23、復(fù) 2）8）步直到設(shè)置完所有反應(yīng)，然后點擊 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. Coefficientash3=1，ga_s=1gac

24、h33=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=Activation Energy，TE=Te

25、mperature 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）。3、設(shè)定 Name（名稱）。4、在 Reacti

26、on Type（反應(yīng)類型）中設(shè)定反應(yīng)類型。在反應(yīng)類型確定后，屬于這個類型的反應(yīng)就會出現(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)。本例中，在mechanism旁單擊Edit按

27、鈕彈出，reaction mechanisms對話框。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0.3。單擊Apply確認(rèn)。在導(dǎo)熱性ther

28、mal conductivity選擇mass-weighted-mixing-law，粘度viscosity選擇mass-weighted-mixing-law。在計算多組元混合物時，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算混合物的導(dǎo)熱系數(shù)，則必須同時使用 ideal-gas-mixing-law（理想氣體混合律）或者 mass-weighted-mixing-law（質(zhì)量加權(quán)混合律）計算粘性，因為只有這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