Fluent模型使用技巧(8)

计算。大部分燃料快速燃烧。整体反应速率由湍流混合控制。在非预混火焰中，湍流缓慢地通过对流/混合燃料和氧化剂进入反应区，在反应区它们快速地燃烧。在预混火焰中，湍流对流/混合冷的反应物和热的生成物进入反应区，在反应区迅速地发生反应。在这些情况下，燃烧称为混合限制的，复杂，常常是未知的化学反应动力学速率可以安全地忽略掉。 （3）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。注意详尽的化学动力学计算代价高昂。该模型是涡耗散模型的扩展，以在湍流流动中包括详细的化学反应机理。它假定反应发生在小的湍流结构中，称为良好尺度。在FLUENT 中，良好尺度中的燃烧视为发生在定压反应器中，初始条件取为单元中当前的物质和温度。EDC 模型能在湍流反应流动中合并详细的化学反应机理。但是，典型的机理具有不同的刚性，它们的 数值积分计算开销很大。因而，只有在快速化学反应假定无效的情况下才能使用这一模型，例如在快速熄灭火焰中缓慢的CO 烧尽、在选择性非催化还原中的NO 转化。推荐使用双精度求解器以避免刚性机理中固有的大指数前因子和活化能产生的舍入误差。

其中，通用有限速率对于范围很广的应用，包括层流或湍流反应系统，预混、非预混、部分预混燃烧系统都适用。

混合物材料

混合物材料和流体材料都储存在 FLUENT 的材料数据库中。包括许多常见的混合物材料（如甲烷-空气，丙烷-空气）。通常，在数据库中定义了一步/两步反应机理和大量混合物及其构成物质的属性。当你指定了你希望使用哪种混合物材料后，适当的混合物材料，流体材料和属性将被装载到求解器中。如果缺少任何所选材料（或构成流体材料）必须的属性，求解器将通知你需要指定它。另外，你可以选择修改任何预定义的属性。有关FLUENT 数据库属性数据源的信息。

例如，如果你计划模拟一种甲烷-空气的燃烧，你不需要明确指定反应中涉及的物质和反应本身。只需要简单地选择甲烷-空气作为使用的混合物材料，相关的物质（CH4，O2，CO2，H2O 和N2）和反应数据将从数据库装入求解器。然后你可以检查物质、反应和其它属性并定义其它任何缺少的属性，和/或修改任何你希望使用不同值或函数的属性。通常你希望定义一个与组分、温度相关的比热，还可能希望将其它属性定义为温度和/或组分的函数。

混合物材料的使用给你提供了一种灵活性，可以使用大量预定义混合物中的一种，修改这些混合物，或是创建你自己的混合物材料。自定义混合物材料在Materials 面板中进行。

选定物质输送和反应，并选择混合物材料

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1． 在 Model 下，选择Species Transport.

2． 在 Reaction 下，选择Volumetric reactions

3． 在 Mixture Properties 下的Mixture Material 下拉列表中选择在你的问题中希望使用的混合物材料

4． 选择湍流-化学反应相互作用模型，可以使用4种模型：

（1）层流有限速率：只计算 Arrhenius 速率，并忽略湍流-化学反应相互作用。 （2）涡耗散模型（针对湍流流动）：只计算混合速率。

（3）有限速率/涡耗散模型（针对湍流流动）：计算Arrhenius 速率和混合速率，并使用其

中较小的一个。 （4）EDC 模型（湍流流动）：使用详细的化学反应机理模拟湍流-化学反应相互作用。 5．如果你选择 EDC 模型，你可以选择修改容积比率常数和时间尺度常数，尽管通常推荐缺省值。此外，为减少化学反应计算的开销，你可以增加每次化学反应更新的流动迭代（Flow Iteration Per Chemistry Update）次数。缺省时，FLUENT 每十次流动迭代更新化学反应一次。

6．（可选）如果你希望模拟完整的多组分扩散或热扩散，打开完整多组分扩散或热扩散Full Multicomponent Diffusion 或Thermal Diffusion 选项。

定义混合物中的物质

在 Materials 面板中，检查材料类型Material Type 是否已经设置为混合物，并且你的混合物是否已经在混合物材料列表Mixture Materials list 中选定。点击Mixture Species 右边的Edit…按纽打开Species 面板。

在 Species 面板中，已选物质Selected Species 列表显示所有混合物中的流体相物质。如果你模拟壁面或微粒表面反应，已选物质Selected Species 列表将显示所有混合物中的表面物质。表面物质是那些从壁面边界或是离散相微粒(如Si(s))产生或散发出来的，以及在流体相物质中不存在的物质。

**【 已选物质Selected Species 列表中物质的顺序非常重要。FLUENT 认为列表中最后的物质是大量的物质。因此，当你从混合物材料中增加或是删除物质时，必须小心将最丰富（按质量）的物质作为最后一个物质。】

定义反应

在Materials 面板的Reaction 下拉列表中显示适当的反应机理，依赖于你在Species Model 面板中选择的湍流-化学反应相互作用模型。如果你使用层流有限速率或EDC 模型，反应机理将是有限速率的，如果你使用涡耗散模型，反应机理将是涡耗散的；如果使用有限速率/涡耗散模型，反应机理将是有限速率/涡耗散的。

反应定义的输入

为定义反应，点击 Reaction 右侧的Edit…按纽。 将打开 Reaction 面板（图13.1.4）。 定义反应的步骤如下：

1． 在 Total Number of Reaction 区域中设定反应数目（容积反应，壁面反应和微粒表面

反应）【注意如果你的模型包括离散相的燃烧微粒，只有在你计划使用表面燃烧的多表面反应模型时，才必须在反应数目中包括部分表面反应（s）（如碳的燃烧，多样碳粒氧化）】

2. 设定你希望定义的反应的Reaction ID

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如果是流体相反应，保持缺省选项Volumetric 作为反应类型。如果是壁面反应或者颗粒表面反应，选择Wall Surface 或Particle reaction 作为反应类型。 3．通过增加 Number of Reactants 和Number of Products 的值指定反应中涉及的反应物和生成物的数量。在Species 下拉列表中选择每一种反应物或生成物，然后在Stoich. Coefficient 和Rate Exponent区域中设定它的化学计量系数和速率指数。

共有两种普通类型的反应可以在Reactions面板中处理。因此正确输入每种反应的参数非常重要。反应的类型如下：

（1）整体正向反应（无逆向反应）：产物一般不影响正向速率，因此所有产物的速率指数 应该为0。对于反应物，设定速率指数为期望的值（如何设？？）。如果某种反应不是基元反应，速率指数一般不等于这种物质的化学计量系数。

【注意：在某些情况下，你可能希望模拟产物影响正向速率的反应。对于这些情况，设定产物速率指数为期望的值（如何设？？）】

（2）可逆反应：假定每种物质的化学计量系数等于速率指数。

如果你使用层流/有限速率或是EDC 模型模拟湍流-化学反应的相互作用，且反应是可逆的，则打开对于Arrhenius Rate 的Include Backward Reaction 选项。当选定这一选项时，你将不能编辑产物的Rate Exponent，这些值将被设定为与相应的Stoich.系数相等。 如果你不希望使用FLUENT 的缺省值，或者你在定义你自己的反应，你将还需要指定标准状态觞和标准状态焓，以在逆向反应速率常数计算中使用。

【注意可逆反应选项对于涡耗散或有限速率/涡耗散湍流-化学反应相互作用模型是不可获得的。】

4．如果你使用湍流-化学反应相互作用的涡耗散或有限速率/涡耗散模型，你可以在Mixing Rate 标题下输入A 和B 的值。但是注意除非你有可靠的数据，不要改变这些值/在大多数情况下，你只需要简单地使用缺省值。

A——是湍流混合速率的常数A，当一种物质作为反应物在反应中出现时用于这种物质。缺省值为4.0，根据Magnussen 等人给出的经验值。

B——是湍流混合速率的常数B，当一种物质作为产物在反应中出现时用于这种物质。缺省值为0.5，根据Magnussen 等人给出的经验值。

5．对于每一种你需要定义的反应重复步骤2-4。完成所有反应后，点OK。

定义物质边界条件

在你的模拟中，需要指定入口处每种物质的质量分数。另外，对于压力出口，你需要指定出口处的物质质量分数以在回流情况中使用。在壁面上，FLUENT 将对所有物质使用0 梯度（0 通量）边界条件，除非你已经在壁面上定义了表面反应或是你选择指定壁面上的物质质量分数。

【注意你只需要明确指定前 N-1 种物质的质量分数。求解器通过用1 减去指定物质质量分数的和来计算最后一种物质的质量分数，如果你需要明确指定最后一种物质的质量分数，你必须在列表中（Materials 面板）记录这种物质】

进口处的扩散，使用非耦合求解器

当使用非耦合求解器时，没有指定入口处的物质扩散部分（因此也没有净入口输送量）。在某些情况下，你可能希望通过你的计算区域入口的只有物质的对流输送。你可以通过取 消进口物质扩散做到这一点。在缺省状态下，FLUENT 在入口包括物质的扩散通量。为关闭入口扩散，使用define/models/species-transport/inlet-diffusion? Text 命令。

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化学混合和有限速率反应的求解步骤

尽管许多涉及化学物质的模拟在求解过程中不需要特殊的步骤，你可能发现本节中提供的一种或多种求解技术会对加速收敛或提高更复杂模拟的稳定性有所帮助。如果你的问题涉及许多物质和/或化学反应，尤其是模拟燃烧流动时，以下列出的技术可能特别重要。 1．反应流中的稳定性和收敛

在反应流中获得收敛解非常困难，有很多原因。首先，化学反应对基本流型的影响可能非常强烈，导致模型中质量/动量平衡和物质输运方程的强烈耦合。在燃烧中，反应导致大的热量释放和相应的密度变化以及流动中很大的加速度，上述耦合尤其明显。但是，当流动属性依赖于物质浓度时，所有的反应系统都具有一定程度的耦合。处理这些耦合问题的最好方法是使用下面介绍的两步求解过程。

反应流中的第二个收敛问题涉及反应源项的强度。当你的 FLUENT 模型涉及非常快的反应速率（即比对流和扩散速率快得多），物质输运方程的求解在数值上非常困难。这种系统称为“刚性”系统，当你定义涉及非常快的动力速度的模型，尤其是这些速度描述可逆反应或竞争反应，这种系统得以创建。在涡耗散模型中，较慢的湍流速率去除了非常快的反应速率。对非预混系统，反应速率从模型中去除。对于层流化学反应的刚性系统，推荐使用耦合求解器代替非耦合求解器。对湍流有限速率机理（可能是刚性的），推荐使用EDC 模型，这一模型对化学反应使用一个刚性的ODE 积分器。求解刚性化学反应系统的其它指南见下述内容。

两步求解过程（冷流动模拟） 将一个反应流动作为两步过程求解对于获得你的 FLUENT 问题的稳定收敛解是一个实用的方法。在这一过程中，你从求解不带反应的流动、能量和物质方程（“冷流动”，或无反应流动）开始。当建立基本的流型后，你可以再选择反应，并重新开始计算。冷流动求解提供了燃烧系统计算的初始解。这种燃烧模拟的两步方法可以采用以下步骤完成： （1）设定包括所有感兴趣物质和反应的问题

（2）通过关闭 Species Model 面板中的Volumetric Reactions 选项暂时不选择反应计算 （3）关闭 Solution Controls 面板中的产物计算

（4）计算初始解（冷流动）。（注意通常获得完全收敛的冷流动解没有实际价值，除非你对无反应解也有兴趣）

（5）打开 Species Model 面板中的Volumetric Reactions 选项使能反应计算

（6）打开所有反应。如果你使用层流有限速率、有限速率/涡耗散，或是EDC 模型模拟湍流-化学反应相互作用，你可能需要增添一个点火源 密度欠松弛

燃烧模拟难以收敛的一个主要原因是温度的剧烈变化引起密度的剧烈变化，从而导师流动求解的不稳定性。当你使用非耦合求解器时，FLUENT 允许你欠松弛密度的这种变化以降低收敛的困难。密度欠松弛因子的缺省值为1，如果你遇到收敛问题，你可以将这个值减少到0.5 到1 之间（在Solution Controls 面板中）。 燃烧模拟的点火

如果你将燃料引入氧化剂，自发的点火不会发生，除非混合物的温度超过了维持燃烧所需要的活化能阈值。这一物理问题在FLUENT 中也会出现。如果你使用层流有限速率、有限速率/涡耗散或EDC 模型模拟湍流-化学反应相互作用，你将不得不提供一个点火源以启动燃烧。这个点火源可以是加热的表面或温度超过点火温度的入口质量流。但是，这常常等同于一个火花：一个初始求解状态使得燃烧可以进行。你可以通过在FLUENT 模型中一个包含有足够燃料/空气混合物以使点火能发生的区域给一个高的温度，来提供这个初始火花。

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根据模型的不同，你可能需要提供温度和燃料/氧化剂/产物浓度以在你的模型中产生点火。点火。这种补缀对于最终的稳态解没有影响——不超过火柴的位置对它点燃的火炬最终流型的影响。

刚性层流化学反应系统的求解

当使用层流有限速率模型模拟层流反应系统时，你可能需要在反应机理是刚性的时候使用耦合求解器。

EDC 模型求解步骤

如果你使用 EDC 模型，推荐使用双精度求解器（见1.5 节），以避免刚性机理中固有的大指数前因子和活化能产生的截断误差。

由于 EDC 模型需要很大的计算开销，建议你采用以下步骤，以用非耦合求解器得到解： （1）用涡耗散模型和简单的单步或两步放热机理计算一个初始解。

（2）用适当的物质使能 EDC 化学反应机理。如果你有一个CHEMKIN格式的机理，如何将它导入。

（3）如果物质的数目和反应顺序改变，你将需要改变物质边界条件

（4）通过关闭 Species Model 面板中的Volumetric Reaction 选项暂时取消反应计算。 （5）在Solution Controls 面板中只使能物质方程的求解。 （6）对物质混合场计算一个解。

（7）打开 Species Model 面板中的Volumetric Reaction 选项，选定反应计算，并在Turbulence-Chemistry Interaction 下选择EDC 模型。

（8）在 Solution Controls 面板中使能Energy 方程的求解。

（9） 对复合了物质和温度的场计算一个解。如果火焰吹熄，你可能还需要补缀一个高温区域。

（10）打开所有方程。（11）计算最终解。

**壁面反应的用户输入

1． 在 Species Model 面板中：

（a） 使能Species Transport，选择Reactions 下的Volumetric 和Wall Surface，并指定

Mixture Material。 （b） （可选）如果希望模拟壁面反应的放热，打开Heat of Surface Reactions 选项。 （c） （可选）如果希望在连续性方程中包括表面质量输运的影响，打开Mass Deposition Source 选项。

（d） （可选）如果使用非耦合求解器，并且不希望在能量方程中包括物质扩散的影响，关闭Diffusion Energy Source 选项。、

（e） （可选，但对CVD 推荐）如果希望模拟完整的多组分扩散或热扩散，打开Full Multicomponent Diffusion 或Thermal Diffusion 选项。 2． 检查和/或定义混合物属性

? 你将在Fluid Materials 列表中找到所有物质（包括表面物质） * 注意如果你的模型中包括稀释混合物中的物质，Selectecd Species 列表中的最终气相物质必须是载体

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