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Fluent案例|液体化学反应

内容纲要

本案例的目的是演示如何使用ANSYS FLUENT中的欧拉组合PDF输运模型与离散四阶矩方法(DQMOM)设置和求解液相化学反应。

对于涉及液体的反应,组分在分子水平上的混合(也称为微混合)对于确定产物转化方面起着重要作用。在存在平行竞争反应的情况下,微混合可以单独影响期望产物的产率。FLUENT中的快速化学模型,如非预混平衡模型、稳态湍流小火焰模型和涡耗散模型,都无法捕捉微混合的物理过程,因此可能无法准确预测转化率与选择性。

完整的组合PDF输运模型(Composition PDF Transport Model)可以很好地求解液相反应,但Langrangian方法的计算成本非常高,因为动力学计算是使用粒子为基础的方法(Monte Carlo方法)求解的,这些方法计算量巨大。DQMOM-IEM模型以欧拉框架求解PDF输运,这大大减少了计算量,同时能够保留计算准确性。

本案例演示以下内容:

  • 在受限的交叉射流反应器中建立液相化学反应。
  • 设置具有液相微混合扩展的DQMOM-IEM PDF输运模型。
  • 计算求解及后处理。

1 问题描述

受限的交叉射流反应器(confined imping-jet reactor, CIJR)由两个高速共轴液体喷流组成,它们在反应器内发生碰撞并产生毫秒量级的混合时间。本案例采用以下一对二级平行反应来评估混合程度。

第一个反应非常快,其反应速率;第二个反应非常慢,反应速率

注:括号中的A、B、P1、D、P2、P3、bulk等均为相应组分的代号。

当启用液相微混合模型时,FLUENT会从模型湍流和标量谱中对IEM模型中使用的混合常数进行插值。下图显示了两个反应物在反应器中心撞击的CIJR示意图。

2 Fluent设置

  • 3D、Double Precision 方式启动 Fluent
  • 利用菜单File → Read → Mesh… 读取计算网格dqmom.msh(文件在文末下载)

2.1 General设置

  • 保持默认设置
  • 点击按钮Units...打开Scale Mesh对话框,指定显示单位为mm,如下图所示

2.2 Models设置

  • 采用Realiazble k-epsilon湍流模型,启用Enhanced Wall Treatment选项

2.3 Species模型设置

  • 鼠标双击模型树节点Setup → Models → Species打开Species Model对话框,如下图所示指定参数
  • 点击OK按钮会弹出错误提示对话框,暂时先关闭,后面再处理。

注:因为暂时还没有创建材料介质,所以Species Models对话框的Boundary标签页中没有办法指定材料。

2.4 Materials设置

  • 从材料库中添加water-liquid
  • 在水的基础上修改参数,如下图所示
    • 修改Namea
    • 修改Density962
    • 修改Molecular Weight1
    • 其他参数保持不变,点击按钮Create/Create替换材料water-liquid
  • 相同方式创建其他的材料介质
组分 Molecular Weight
b 17
d 89
p1 18
p2 58
p3 32
bulk 33
  • 为混合组分mixture-template添加组分
  • 定义第1个化学反应(
  • 定义第2个化学反应(
  • 设置混合物的物性参数,如下图所示

注:这是考虑到液体的施密特数较高,因此扩散率较低。

2.5 边界条件

  • 打开Species Model对话框,进入Boundary选项卡,如下图所示指定燃料及氧化剂质量分数

1、leftinlet边界

  • 指定入口速度1.666 m/s
  • 指定Mixture Fraction1,表示从该边界进入的是Fuel

2、rightinlet边界

  • 设置入口速度为1.666 m/s
  • 指定Mixture Fraction0,表示进入的是Oxidizer

3、outlet边界

  • 出口边界采用默认设置

2.6 Methods设置

  • 进入模型树Methods,如下图所示设置求解方法

2.8 Controls设置

  • 在模型树Controls节点下,打开Equations对话框,如下图所示,取消Energy方程的求解

注意:对于具有反应的组分模型,默认启用能量方程。然而对于本案例,流动是等温的,密度也是恒定的。因此不需要求解能量方程。

2.9 初始化求解

  • 采用Hybrid Initialization进行初始化

2.10 求解计算

  • 迭代计算1000

3 计算结果

  • 速度分布
  • 混合分数分布(在Eulerian PDF Transport…类别下)
  • 组分a质量分数
  • 组分b质量分数
  • 组分d质量分数

  • 组分p1质量分数
  • 组分p2质量分数
  • 组分p3质量分数
  • 组分bulk质量分数

资源链接:

https://pan.baidu.com/s/1ncc3unUugqgNHfcoBLSiyw?pwd=dkym 

提取码:dkym


(完)

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道

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文章名称:《Fluent案例|液体化学反应》
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