本案例利用Fluent中的表面反应模型仿真计算汽车碳罐中碳氢燃料的回收过程。

注：本案例来自Fluent官方培训资料。

汽车碳罐结构如下图所示。在汽车行驶过程中，碳罐的主要作用是降低环境污染，同时通过捕获碳氢化合物蒸气来提高燃料利用效率。

气体从碳罐的入口进入，依次通过3个填充有炭组分的腔室，碳氢化合物蒸气被炭罐内的碳捕获，使其不会逃逸到空气中。碳罐中填充的炭组分如下图所示。

1 问题描述

碳罐结构如下图所示，其包含1个入口、1个出口及3个多孔介质区域。正丁烷蒸气及空气以质量流量1e-5 kg/s从入口进入，正丁烷质量分数为0.675。在3个多孔介质区域中，正丁烷通过表面反应在捕获吸收。

2 Fluent设置

• 以3D、Double Precision方式启动Fluent
• 利用菜单File → Read → Mesh读取网格文件“canister.msh.gz

2.1 General设置

• 进入General设置面板，如下图所示，激活选项Transient

2.2 Models设置

• 如下图所示鼠标右键选择模型树节点Models > Energy，点击弹出菜单项On激活能量方程

• 采用层流（Laminar）计算

2.3 组分输运模型

• 如下图所示启用Species Transport模型，激活选项Wall Surface

2.4 Materials设置

1、修改及添加材料

• 鼠标右键选择模型树节点mixture-template，点击弹出菜单项Edit…打开材料编辑对话框

如下图所示修改材料mixture-template的属性

• 按下表所示参数创建四种fluid材料air、n-butane、Open-site、n-butane-site

注：材料Open-site为催化剂组分，设置其分子量为0以确保化学反应质量平衡

• 按下表所示创建及修改2种固体材料：Carbon-bax1500、aluminum

注：这里材料Carbon-bax1500为多孔介质骨架材料，而aluminum为默认的固体壁面材料

2、修改混合物组分

• 点击混合物材料定义对话框中Mixture Species右侧按钮Edit…弹出设置对话框
• 如下图所示定义组分类型

3、设置化学反应

• 点击混合物材料定义对话框中Reaction右侧按钮Edit…弹出设置对话框
• 如下图所示设置第一个化学反应，注意选择化学反应类型为Wall Surface

• 如下图所示设置第二个化学反应

4、定义反应机理

• 点击混合物材料定义对话框中Mechanism右侧按钮Edit…弹出设置对话框
• 定义site的密度为0.0006516 kgmol/m2

• 如下图所示定义组分构成

2.5 定义计算区域

• 区域fluid保持默认设置

注：修改了任意区域为多孔介质区域后，该选项才能被激活。

• 如下图所示设置多孔介质区域porous-1的参数

• 进入Reaction标签页，设置比表面积为1500

• 设置区域porous-1:012的材料为carbon-bax1500，如下图所示

注：这个固体区域是多空区域选择了Non-Equilibrium热模型后软件自动生成的。

• 如下图所示，选择区域porous-1，点击下方按钮Copy…弹出参数复制对话框

• 如下图所示将区域porous-1的参数复制到另外两个多孔区域porous-1及porous-3

• 相同方式指定另外两个固体区域的材料
• 如下图所示设置多孔区域的速度为Physical Velocity

2.6 设置边界条件

• 如下图所示设置入口边界质量流量为1e-5 kg/s

• 设置入口组分c4h10质量分数为0.675，如下图所示

2.7 Methods设置

• 如下图所示设置求解算法

2.8 Controls设置

• 如下图所示设置亚松弛因子

2.9 初始化计算

• 如下图所示进行初始化计算

2.10 自动保存

• 如下图所示设置间隔50步保存一次

2.11 求解计算

• 设置时间步长为10 s，设置时间步数为1500，点击按钮Calculate开始计算

3 计算结果

部分时刻c4h10质量分数如下图所示。

• 50 s时刻

• 1250 s时刻

• 2200 s时刻

• 3000 s时刻

• 4380 s时刻

计算量有点大，这里没有继续往下面算。

链接：

https://pan.baidu.com/s/1nJPpB_hDWhHNEaazll1B_Q

提取码：wu9o

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本篇文章来源于微信公众号: CFD之道