关于化学反应的模拟1-2-3-4-5-6-7

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关于化学反应的模拟1--简介

化学反应（包括燃烧但不仅仅指燃烧）的模拟，有一定的困难。原因很多，比如反应机理不清楚、反应机理太复杂、反应刚性太大，收敛困难等众多原因，导致化学反应的模拟有较大的困难。

现在和大家探讨一下化学的模拟。由于化学反应模拟内容博大精深，囊括内容丰富广泛，本帖根据个人的经验和理解进行一些归类或个人使用介绍或经验总结，理解有误或者不完善的地方，请大家批评指正。

化学反应的模拟，根据fluent的习惯，主要分为几大类：通用有限速率模型、非预混、预混和部分预混等模型，组分PDF输送模型等。

1. 通用有限速率模型，可以从化学反应速率、涡耗散ED、反应速率/涡耗散 以及EDC模型等模拟化学反应。
对于非燃烧的化学反应，如壁面反应、粒子表面反应，该方法使用较多，因此称为通用有限速率模型。
当然，该模型也适合大多数的非预混、预混和部分预混等的模拟。

2.非预混模型（pdf模型），燃料和氧化剂以相异流进入反应区，常见的例子包括甲烷燃烧、粉煤炉和内部燃烧柴油（压缩）发动机等。

在一定假设条件下，热化学可被减少成一个单一的参数：混合分数。混合分数，用f表示，是来自燃料流的质量分数。燃烧被简化为一个混合问题，并且与近非线性平均反应率相关的困难可以避免。也就是说，该方法不求解单个组分的输送方程，但求解混合分数，各组分浓度由混合组分分布求得。概率密度函数pdf来考虑湍流效应。因此，非预混不需要明确定义反应速率方程，具有一定的模拟计算优势。

非预混可以模拟2个或者3个入口组分的案例。该方法模拟案例较多，成功例子到处可见。

非预混计算，系统接近化学平衡。

3.预混燃烧，燃料和氧化剂在点火之前进行分子级别的混合。吸气式内燃机采用此方法。该方法主要难点在模拟受层流火焰速度和湍流涡旋控制的火焰面。
这个方法，由于个人研究方向等原因，使用较少。

4. 部分预混。
可以认为是非预混和预混的矛盾统一。

5. 组分PDF输送模型（不是pdf模型），该方法比较复杂，需要提供详细机理。

[ 本帖最后由 030301029 于 2012-5-6 21:40 编辑 ]

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反应机理的导入4

对于化学反应的模拟，不少模拟需要导入反应速率。因此，常用的反应速率导入方法有：
1. 自带的速率模型。 反应机理满足阿伦尼乌斯形式的反应，可以由fluent面板直接输入。
2.机理模型。一般通过其他软件，如chemkin等导入fluent进行计算。更改方法通用性较小，因为需要有现成的反应机理文献或数据等。
3.udf表达化学反应。 对于工程计算而言，反应速率一般不是阿伦尼乌斯格式，而是双曲线等复杂形式，这个时候需要udf来编译表达化学反应。
4.源项处理。 对于生物质燃烧等化学反应，由于其燃烧物质本事化学结构没有通用性，考虑采用源项更加方便。
5.化学反应速率快，远大于组分扩散的速率或湍流耗散的速率，可以假设其无穷大。
6.其他

[ 本帖最后由 030301029 于 2011-11-21 12:29 编辑 ]

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关于化学反应的模拟5-慢、快反应的模型

慢化学反应考虑的模拟，可以使用的模型有：层流有限速率模型（属于通用有限速率模型内）、EDC模型、非定常层流火焰面模型，组分PDF输送模型等。

快速化学反应的模拟，可以使用的模型有：非预混模型（pdf模型）、预混模型、定常层流小火焰模型（pdf模型进一步发展）、涡耗散模型（ED,属于通用有限速率模型内）等。

[ 本帖最后由 030301029 于 2011-11-21 12:30 编辑 ]

weselyas

粉煤燃烧或者气化的时候，颗粒表面反应，也就是气固反应，这个反应的UDF大侠你会不会编写的啊？

030301029

原帖由 weselyas 于 2011-11-16 14:35 发表

                               
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粉煤燃烧或者气化的时候，颗粒表面反应，也就是气固反应，这个反应的UDF大侠你会不会编写的啊？

气固反应，可以采用相应的模拟方法，如拉格朗日法，欧拉法等。
曾经采用过欧拉法及相应的udf处理过气固异相反应。

另外，液滴燃烧，煤燃烧等，则采用的是已有模型。

CFD博大精深，个人能力、使用过的方法、参与的课题及经验均有限。

[ 本帖最后由 030301029 于 2011-11-17 05:15 编辑 ]

永不言弃！

总结的很好，谢谢楼主，期待出——关于化学反应的模拟2

weselyas

原帖由 030301029 于 2011-11-17 09:15 发表

                               
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气固反应，可以采用相应的模拟方法，如拉格朗日法，欧拉法等。
曾经采用过欧拉法及相应的udf处理过气固异相反应。

另外，液滴燃烧，煤燃烧等，则采用的是已有模型。

CFD博大精深，个人能力、使用过的方法 ...

恩，我想用UDF来描述气固反应的速率——采用随机孔模型，不知道从何下手，请大侠指点一二！

030301029

原帖由 weselyas 于 2011-11-18 11:24 发表

                               
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恩，我想用UDF来描述气固反应的速率——采用随机孔模型，不知道从何下手，请大侠指点一二！

大侠不敢当，有机会，可以邮件探讨。

uesoft

都是些大牛啊!
如此高人，又深入实际应用领域，令人敬佩。
对于了解不是很透彻的化学反应机理研究，是否可以用量子动力学或分子动力学软件先搞清原理，再应用到Fluent？由于燃烧总是伴随激烈的化学反应和光、热辐射等量子现象，这是否会引起量子动力学和流体力学软件Fluent之间的强烈耦合计算。
这正如用Fluent精确模拟一个三通或阀门，再把三通、阀门的阻力系数输入到管网软件，可以提高管网计算的速度和精度一样。

030301029

原帖由 uesoft 于 2011-11-20 02:18 发表

                               
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都是些大牛啊!
如此高人，又深入实际应用领域，令人敬佩。
对于了解不是很透彻的化学反应机理研究，是否可以用量子动力学或分子动力学软件先搞清原理，再应用到Fluent？由于燃烧总是伴随激烈的化学反应和光、热辐射 ...

优易哥 威武，思路开阔，联想丰富。
的却，你说的CFD与其他软件的结合模拟化学反应是一个很好的思路。

也就是说，知道动力学机理，直接导入；不知道动力学机理，介绍其他软件，得出反应的机理及反应性能。这个chemkin与Fluent的结合就是这样。

利用其它软件或者反应机理，一般是基于气相和表面反应动力学的模拟，但是有些催化剂，比如镍基催化剂等缺乏足够多的研究，就没有办法采用这种办法了。

所以，你说的用量子动力学或分子动力学软件与CFD结合，绝对是一个很好的思路，可以在以后的课题及研究过程中，加以尝试。这个时间和过程比较漫长，不是一年两年就可以解决的事情。

[ 本帖最后由 030301029 于 2011-11-23 03:11 编辑 ]

030301029

原帖由 永不言弃！ 于 2011-11-17 02:25 发表

                               
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总结的很好，谢谢楼主，期待出——关于化学反应的模拟2

谢谢关注，感谢回帖。我已经写了一个关于化学反应的模拟2，但是效果不如在本帖后面添加，提高集中帖子的关注度和阅读率。
因此，我打算每增加一些重要内容，就在帖子的名字后面添加一个数字，如，关于化学反应的模拟12，关于化学反应的模拟123.

030301029

关于化学反应的模拟2--可逆反应的表示

可逆反应，fluent面板内，表达其过程有两种：
一。反应速率常数与化学当量系数结合。二者相等，就体现了反应过程的可逆。
二。增加化学反应个数体现可逆。即一个可逆反应变为两个不可逆反应。

另外，不用fluent面板的设置，采用udf源项处理，则可以根据CFDer的需要灵活表达。

如果有其他方式，请补充。

shugui645

本论坛又一高手出世、论坛之福啊

梅花雪剑

楼主，总结不错，这样的帖子应该赞一个！

weselyas

原帖由 030301029 于 2011-11-18 19:46 发表

                               
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大侠不敢当，有机会，可以邮件探讨。

恩，谢谢楼主，我的邮箱是weselyas@126.com，我现在在做水煤浆/粉煤的气化，现在困于合成气气体组份不对（CO，H2，H2O，CO2，CH4等），我估计大概是我的三个气固反应（C+0.5O2->CO，C+CO2->2CO，C+H2O->CO+H2）的动力学参数的设置不对，也有可能是我没有用到UDF来表征反应速率，现在我正处于困惑期……