Fluent相间作用：多相反应解析

译自帮助文档Ansys_Fluent_Users_Guide2021R2_22.2.9

您可以在多相模型对话框的“反应”选项卡中定义多个多相反应和化学计量(例如，图22.12:多相反应的“反应”选项卡(p. 2616))。

图1

Setup → Models → MultiphaseEdit...

1. 在Multiphase Model对话框中, Phase Interaction > Heat, Mass, Reactions > Reactions
2. 在total number of Heterogeneous reactions 中设置反应总数(体积反应、壁面反应、颗粒表面反应)。(使用箭头改变值，或输入值并按Enter。)
3. 如果您的间相反应机制包含数值上的刚性反应，则启用Heterogeneous Stiff Chemistry Solver（非均质刚性化学求解器）选项。该选项可以提高收敛性，可用于瞬态欧拉多相模拟。当这个选项被启用时，Ansys Fluent使用一个分步算法，流动是先进的没有反应源的时间步，然后化学是点对点集成的同一时间步。刚性的化学方案解决了所有相耦合的所有物种。注意，在“Reactions”选项卡(而不是在“创建/编辑材料”对话框中的反应机制)中，可以包括同质(内相)反应以及异质反应，并且这些反应将通过刚性的求解器得到解决。刚性ODE求解器公差可以使用以下文本命令设置:solve → set → heterogeneous-stiff-chemistry
4. 指定要定义的每个反应的反应名。
5. 设置要定义的每个反应的ID。(同样，如果输入值，一定要按Enter。)
6. 对于每个反应，通过增加反应物数量和生成物数量来指定反应中涉及的反应物和生成物的数量。在“Reaction”选项卡中选择每个反应物或产物，然后在Stoich中设置其化学计量系数。(化学计量系数为理论指南7.6式中的常数ν‘i,r或ν''i,r)。
7. 对于每个反应，标明Phase和Species以及每个反应物和生成物的化学计量系数。
8. 对于每个反应，使用Reaction Rate Function下拉列表选择以下其中之一:

• none如果你不想包含反应速率
• population-balance      是由于成核和生长而产生的传质过程。如果初级相和次级相都没有与之相关的物质，那么质传递被建模为单向的。如果传质过程涉及反应或物质，则必须将问题设置为涉及非均相反应/传质重点：如果存在多个导致次级相形成的反应，则不应使用反应速率函数的种群平衡选项。在这种情况下，反应速率函数应该通过标准对话框或用户定义函数来指定，生长速率函数应该是各个反应速率的总和。这将确保各反应速率和从主相到副相的总传质量之间的一致性。您始终可以使用DEFINE_MASS_TRANSPORT或DEFINE_HET_RXN_RATE用户定义的函数类型来指定批量传输率，而不是使用总体平衡选项。但是，生长速率函数和从UDF返回的传质速率需要彼此一致。
• arrhenius-rate指定阿伦尼乌斯反应的速率指数(更多信息请参阅《理论指南》中的多相相互作用)

重点：这种简单形式的阿伦尼乌斯速率选项可能只用于脱脂反应。炭的燃烧反应可能更复杂，不能简单地用这种形式来表述。额外的扩散速率公式可能是需要额外的扩散速率公式来制定一个完整的炭（或固相）反应系统。

重点：注意，还可以使用用户定义的函数指定异构反应速率。用户定义的函数可用于阿伦尼乌斯型反应，其速率指数相当于化学计量系数。有关更多信息，请参阅Fluent自定义手册中的DEFINE_HET_RXN_RATE。

   9.点击 Apply

重点：Ansys Fluent假设反应物在一起反应前经过充分的混合，因此热和动量传递基于此假设。可以使用文本命令禁用此假设。

理论

为了计算异构相交互速率，提供了一个修改的Arrhenius类型速率表达式

速率表达式的一般形式是:

图2

Yip为p相中反应物i的质量分数，NR是给定相间反应中的反应物总数，ρp是p相的体积密度，αp是p相的体积分数，MWip该p相中反应物物种i的分子量(kg/kmol)，n是速率指数，k是速率常数。

修正的Arrhenius形式的速率常数k为上式，Tp是表达式要求的相温度(相1、相2等)。确保为要提取的温度提供正确的相位。Tref是归一化温度。通常，Tref对大多数反应来说都是统一的，但某些反应速率常数可能具有给定的Tref值，通常是298.15k。

方程式14.660中给出的反应速率将在您指定的启动温度以上有效，在该温度下，速率计算的温度取自选定的相。

DEFINE_HET_RXN_RATE 宏

1.介绍

需要使用DEFINE_HET_RXN_RATE指定异相反应的反应速率。多相反应是一种涉及多个相的反应物和产物的反应。与DEFINE_VR_RATE不同，DEFINE_HET_RXN_RATE UDF可以为不同的异相反应指定不同的值。

在Ansys FLUENT执行期间，在每个流体单元中调用定义的每个异相反应的DEFINE_HET_RXN_RATE UDF。ANSYS FLUENT将使用UDF指定的反应速率来计算参与反应的物种的产生/破坏，以及由于反应而进行的跨相热量和动量传递。

多相反应通常用于定义涉及不同相物种的反应。多相反应在Multiphase Model 对话框的Phase Interaction > Heat, Mass, Reactions > Reactions选项卡中定义。

2.用法

DEFINE_HET_RXN_RATE (name,c,t,r,mw,yi,rr,rr_t)

图3

3.函数返回

void

DEFINE_HET_RXN_RATE有八个参数：name、c、t、r、mw、yi、rr和rr_t。您提供name，UDF的名称c、t、r、mw、yi、rr和rr_t是由Ansys Fluent求解器传递给UDF的变量。您的UDF将需要设置由real指针rr参照的值。这些值必须在kmol/m³s中指定(其中体积是单元体积)。