Fluent模型使用技巧

1、 計算。大部分燃料快速燃燒。整體反應(yīng)速率由湍流混合控制。在非預(yù)混火焰中，湍流緩慢地通過對流/混合燃料和氧化劑進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，在反應(yīng)區(qū)它們快速地燃燒。在預(yù)混火焰中，湍流對流/混合冷的反應(yīng)物和熱的生成物進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，在反應(yīng)區(qū)迅速地發(fā)生反應(yīng)。在這些情況下，燃燒稱為混合限制的，復(fù)雜，常常是未知的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)速率可以安全地忽略掉。（3）渦耗散概念（EDC）模型：細(xì)致的Arrhenius化學(xué)動力學(xué)在湍流火焰中合并。注意詳盡的化學(xué)動力學(xué)計算代價高昂。該模型是渦耗散模型的擴(kuò)展，以在湍流流動中包括詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。它假定反應(yīng)發(fā)生在小的湍流結(jié)構(gòu)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(yīng)器

2、中，初始條件取為單元中當(dāng)前的物質(zhì)和溫度。EDC模型能在湍流反應(yīng)流動中合并詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。但是，典型的機(jī)理具有不同的剛性，它們的數(shù)值積分計算開銷很大。因而，只有在快速化學(xué)反應(yīng)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(zhuǎn)化。推薦使用雙精度求解器以避免剛性機(jī)理中固有的大指數(shù)前因子和活化能產(chǎn)生的舍入誤差。其中，通用有限速率對于范圍很廣的應(yīng)用，包括層流或湍流反應(yīng)系統(tǒng)，預(yù)混、非預(yù)混、部分預(yù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫中定義了一

3、步/兩步反應(yīng)機(jī)理和大量混合物及其構(gòu)成物質(zhì)的屬性。當(dāng)你指定了你希望使用哪種混合物材料后，適當(dāng)?shù)幕旌衔锊牧希黧w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(gòu)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(yù)定義的屬性。有關(guān)FLUENT數(shù)據(jù)庫屬性數(shù)據(jù)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(yīng)中涉及的物質(zhì)和反應(yīng)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(guān)的物質(zhì)（CH4，02，CO2,H2O和N2）和反應(yīng)數(shù)據(jù)將從數(shù)據(jù)庫裝入求解器。然后你可以檢查物質(zhì)、反應(yīng)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(shù)的屬性。通常你希望定義一個與組分、溫度相關(guān)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(shù)?；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(yù)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(jìn)行。選定物質(zhì)輸送和反應(yīng)，并選擇混合物材料選定物質(zhì)輸送和反應(yīng)，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(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)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(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理模擬湍流-化學(xué)反應(yīng)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(shù)和時間尺度常數(shù)，盡管通常推薦缺省值。此外，為減少化學(xué)反應(yīng)計算的開銷，你可以增加每次化學(xué)反應(yīng)更新的流動迭代（FlowIterationPerChemistryUpdate）次數(shù)。缺省時，F(xiàn)LUENT每十次流動迭代更新化學(xué)

6、反應(yīng)一次。（可選）如果你希望模擬完整的多組分?jǐn)U散或熱擴(kuò)散，打開完整多組分?jǐn)U散或熱擴(kuò)散FullMulticomponentDiffusion或ThermalDiffusion選項。定義混合物中的物質(zhì)在Materials面板中，檢查材料類型MaterialType是否已經(jīng)設(shè)置為混合物，并且你的混合物是否已經(jīng)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(zhì)SelectedSpecies列表顯示所有混合物中的流體相物質(zhì)。如果你模擬壁面或微粒表面反應(yīng)，已選物質(zhì)SelectedSpe

7、cies列表將顯示所有混合物中的表面物質(zhì)。表面物質(zhì)是那些從壁面邊界或是離散相微粒（如Si（s）產(chǎn)生或散發(fā)出來的，以及在流體相物質(zhì)中不存在的物質(zhì)。*【已選物質(zhì)SelectedSpecies列表中物質(zhì)的順序非常重要。FLUENT認(rèn)為列表中最后的物質(zhì)是大量的物質(zhì)。因此，當(dāng)你從混合物材料中增加或是刪除物質(zhì)時，必須小心將最豐富（按質(zhì)量）的物質(zhì)作為最后一個物質(zhì)?！慷x反應(yīng)在Materials面板的Reaction下拉列表中顯示適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)機(jī)理，依賴于你在SpeciesModel面板中選擇的湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用模型。如果你使用層流有限速率或EDC模型,反應(yīng)機(jī)理將是有限速率的，如果你使用渦耗散模型，反應(yīng)機(jī)理將

8、是渦耗散的；如果使用有限速率/渦耗散模型，反應(yīng)機(jī)理將是有限速率/渦耗散的。反應(yīng)定義的輸入為定義反應(yīng)，點擊Reaction右側(cè)的Edit.按紐。將打開Reaction面板（圖13.1.4）。定義反應(yīng)的步驟如下：在TotalNumberofReaction區(qū)域中設(shè)定反應(yīng)數(shù)目（容積反應(yīng)，壁面反應(yīng)和微粒表面反應(yīng)）【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(yīng)模型時，才必須在反應(yīng)數(shù)目中包括部分表面反應(yīng)（s）（如碳的燃燒，多樣碳粒氧化）】設(shè)定你希望定義的反應(yīng)的ReactionID如果是流體相反應(yīng)，保持缺省選項Volumetric作為反應(yīng)類型。如果是壁面反應(yīng)或者顆粒表面反應(yīng)，選

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

10、某種反應(yīng)不是基元反應(yīng)，速率指數(shù)一般不等于這種物質(zhì)的化學(xué)計量系數(shù)?！咀⒁猓涸谀承┣闆r下，你可能希望模擬產(chǎn)物影響正向速率的反應(yīng)。對于這些情況，設(shè)定產(chǎn)物速率指數(shù)為期望的值（如何設(shè)？）】（2）可逆反應(yīng)：假定每種物質(zhì)的化學(xué)計量系數(shù)等于速率指數(shù)。如果你使用層流/有限速率或是EDC模型模擬湍流-化學(xué)反應(yīng)的相互作用，且反應(yīng)是可逆的，則打開對于ArrheniusRate的IncludeBackwardReaction選項。當(dāng)選定這一選項時，你將不能編輯產(chǎn)物的RateExponent，這些值將被設(shè)定為與相應(yīng)的Stoich.系數(shù)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(yīng)，你將還需要指定標(biāo)準(zhǔn)

11、狀態(tài)觴和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)焓，以在逆向反應(yīng)速率常數(shù)計算中使用。【注意可逆反應(yīng)選項對于渦耗散或有限速率/渦耗散湍流-化學(xué)反應(yīng)相互作用模型是不可獲得的?！咳绻闶褂猛牧?化學(xué)反應(yīng)相互作用的渦耗散或有限速率/渦耗散模型，你可以在MixingRate標(biāo)題下輸入A和B的值。但是注意除非你有可靠的數(shù)據(jù)，不要改變這些值/在大多數(shù)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(shù)A,當(dāng)一種物質(zhì)作為反應(yīng)物在反應(yīng)中出現(xiàn)時用于這種物質(zhì)。缺省值為4.0,根據(jù)Magnussen等人給出的經(jīng)驗值。B是湍流混合速率的常數(shù)B,當(dāng)一種物質(zhì)作為產(chǎn)物在反應(yīng)中出現(xiàn)時用于這種物質(zhì)。缺省值為0.5,根據(jù)Magnussen等人給出的經(jīng)驗值。5

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

13、指定入口處的物質(zhì)擴(kuò)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(zhì)的對流輸送。你可以通過取消進(jìn)口物質(zhì)擴(kuò)散做到這一點。在缺省狀態(tài)下，F(xiàn)LUENT在入口包括物質(zhì)的擴(kuò)散通量。為關(guān)閉入口擴(kuò)散，使用define/models/species-transport/inlet-diffusion?Text命令?；瘜W(xué)混合和有限速率反應(yīng)的求解步驟盡管許多涉及化學(xué)物質(zhì)的模擬在求解過程中不需要特殊的步驟，你可能發(fā)現(xiàn)本節(jié)中提供的一種或多種求解技術(shù)會對加速收斂或提高更復(fù)雜模擬的穩(wěn)定性有所幫助。如果你的問題涉及許多物質(zhì)和/或化學(xué)反應(yīng)，尤其是模擬燃燒流動時，以下列出的技術(shù)可能特別重要。

14、1反應(yīng)流中的穩(wěn)定性和收斂在反應(yīng)流中獲得收斂解非常困難，有很多原因。首先，化學(xué)反應(yīng)對基本流型的影響可能非常強(qiáng)烈，導(dǎo)致模型中質(zhì)量/動量平衡和物質(zhì)輸運(yùn)方程的強(qiáng)烈耦合。在燃燒中，反應(yīng)導(dǎo)致大的熱量釋放和相應(yīng)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(dāng)流動屬性依賴于物質(zhì)濃度時，所有的反應(yīng)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(yīng)流中的第二個收斂問題涉及反應(yīng)源項的強(qiáng)度。當(dāng)你的FLUENT模型涉及非?？斓姆磻?yīng)速率（即比對流和擴(kuò)散速率快得多），物質(zhì)輸運(yùn)方程的求解在數(shù)值上非常困難。這種系統(tǒng)稱為“剛性”系統(tǒng)，當(dāng)你定義涉及非?？斓膭恿λ俣鹊哪Ｐ?，尤其是這些速

15、度描述可逆反應(yīng)或競爭反應(yīng)，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?？斓姆磻?yīng)速率。對非預(yù)混系統(tǒng)，反應(yīng)速率從模型中去除。對于層流化學(xué)反應(yīng)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(jī)理（可能是剛性的），推薦使用EDC模型,這一模型對化學(xué)反應(yīng)使用一個剛性的ODE積分器。求解剛性化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的其它指南見下述內(nèi)容。兩步求解過程（冷流動模擬）將一個反應(yīng)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(yīng)的流動、能量和物質(zhì)方程（“冷流動”，或無反應(yīng)流動）開始。當(dāng)建立基本的流型后，你可以再選擇反應(yīng)，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(shè)定包括所有感興趣物質(zhì)和反應(yīng)的問題（2）通過關(guān)閉SpeciesModel面板中的VolumetricReactions選項暫時不選擇反應(yīng)計算（3）關(guān)閉SolutionControls面板中的產(chǎn)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(yīng)解也有興趣）（5）打開SpeciesModel面板中的VolumetricReactions選項使能反應(yīng)計算（6）打開所有反應(yīng)。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(xué)反應(yīng)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(dǎo)師流動求解的不穩(wěn)定性。當(dāng)你使用非耦合求解器時，F(xiàn)LUENT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(xiàn)。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(xué)反應(yīng)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(zhì)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(jìn)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(jù)模型的不同，你可能需要提供溫度和燃料/氧化劑/產(chǎn)物濃度以在你的模型中產(chǎn)生點火。點火。這種補(bǔ)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(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的求解當(dāng)使用層流有限速率模型模擬層流反應(yīng)系統(tǒng)時，你可能需要在反應(yīng)機(jī)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(jī)理中固有的大指數(shù)前因子和活化能產(chǎn)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(jī)理計算一個初始解。用適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)使能EDC化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。如果你有一個CHEMKIN格式的機(jī)理，如何將它導(dǎo)入。如果物質(zhì)的數(shù)目和反應(yīng)順序改變，你將需要改變物質(zhì)邊界條件DefineBoundarytoncliTioris.通過關(guān)閉SpeciesModel面板中的VolumetricReaction選項暫時取消反應(yīng)計算。在SolutionControls面板中只使能物質(zhì)方程的求解。對物質(zhì)混合場計算一個解。打開Specie

20、sModel面板中的VolumetricReaction選項，選定反應(yīng)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(fù)合了物質(zhì)和溫度的場計算一個解。如果火焰吹熄，你可能還需要補(bǔ)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(yīng)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(yīng)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(zhì)量輸運(yùn)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(zhì)擴(kuò)散的影響，關(guān)閉DiffusionEnergySource選項。、(可選，但對CVD推薦)如果希望模擬完整的多組分?jǐn)U散或熱擴(kuò)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(zhì)(包括表面物質(zhì))注意如果你的模型中包括

22、稀釋混合物中的物質(zhì)，SelectecdSpecies列表中的最終氣相物質(zhì)必須是載體氣體。（因為FLUENT不會求解最后物質(zhì)的輸運(yùn)方程。）還需要注意的是任何物質(zhì)的重排、增減都必須小心處理，3檢查和/或設(shè)定混合物中單獨(dú)物質(zhì)的屬性。注意如果你模擬表面反應(yīng)的放熱，你必須檢查（或定義）每種物質(zhì)的生成焓。4.設(shè)置物質(zhì)邊界條件IDefi門亡|EounchiryCancitio門4.設(shè)置物質(zhì)邊界條件你還需要指定表面反應(yīng)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(yīng)影響，在Wall面板的Species區(qū)域打開SurfaceReactions選項?！?當(dāng)在一個給定壁面使能表面反應(yīng)后，這一壁面上對混合物材料定義的所有表面反應(yīng)都被激活?！勘诿娣磻?yīng)的求解過程正如所有的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(jìn)時增加復(fù)雜性，可能會使你的表面反應(yīng)模擬工作更加成功。另外，如果你模擬表面反應(yīng)的放熱，而且遇到了收斂性方面的麻煩，你可以嘗試暫時關(guān)閉SpeciesModel面板中的Surfacereactions和MassDepositionSource選項4。表面反應(yīng)的后處理對壁面反應(yīng)，除了前面列出的變量之外，你還可以顯