Fluent表面化学反应模拟.docx

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Fluent表面化学反应模拟

导入网格

2定义求解器

3开启能量方程

4操作工况参数operatingconditions

1操作压力的介绍

关于参考压力的设定，首先需了解有关压力的一些定义。

ANSYSFLUENT中有以下几个压力，即StaticPressure（静压）、DynamicPressure（动压）与TotalPressure（总压）；AbsolutePressure（绝对压力）、RelativePressure（参考压力）与OperatingPressure（操作压力）。

这些压力间的关系为，TotalPressure（总压）=StaticPressure（静压）+DynamicPressure（动压）；AbsolutePressure（绝对压力）=OperatingPressure（操作压力）+GaugePressure（表压）。

其中，静压、动压和总压是流体力学中关于压力的概念。

静压是测量到的压力，动压是有关速度动能的压力，是流动速度能量的体现。

而绝对压力、操作压力和表压是FLUENT引入的压力参考量，在ANSYSFLUENT中，所有设定的压力都默认为表压。

这是考虑到计算精度的问题。

2操作压力的设定

设定操作压力时需要注意的事项如下：

●对于不可压缩理想气体的流动，操作压力的设定直接影响流体密度的计算，因为对于理想气体而言，流动的密度由理想气体方程获得，理想气体方程中的压力为操作压力。

●对于低马赫数的可压缩流动而言，相比绝对静压，总压降是很小的，因此其计算精度很容易受到数值截断误差的影响。

需要采取措施来避免此误差的形成，ANSYSFLUENT通过采用表压（由绝对压力减去操作压力）的形式来避免截断误差的形成，操作压力一般等于流场中的平均总压。

●对于高马赫数可压缩流动的求解而言，因为此时的压力比低马赫可压缩流动的大得多，所以求解过程中的截断误差的影响不大，可以不设定表压。

由于ANSYSFLUENT中所有需输入的压力都为表压，因此此时可以将操作压力设定为0（这样可以最小化由于压力脉动而引起的误差），使表压与绝对压力相等。

●如果密度设定为常数或者其值由通过温度变化的函数获得，操作压力并没有在计算密度的过程中被使用。

●默认的操作压力为101325Pa。

操作压力的设定主要基于两点考虑，一是流动马赫数的大小，二是密度计算方法。

表格1操作压力的推荐设置

密度关系式

马赫数

操作压力

理想气体定律

大于0.1

0或约等于流场的平均压力

理想气体定律

小于0.1

约等于流场的平均压力

关于温度的函数

不可压缩

不使用

常数

不可压缩

不使用

不可压缩的理想气体

不可压缩

约等于流场的平均压力

3关于参考压力位置的设定

对于不涉及任何压力边界条件的不可压缩流动，ANSYSFLUENT在每次迭代后要调整表压值。

这个过程通过使用参考压力位置处（或该位置附近）节点的压力完成。

因此，参考压力位置处的表压应一直为0。

如果使用了压力边界条件，则不会使用到上述关系，因此参考压力位置不被使用。

参考压力位置默认为等于或接近（0，0，0）的节点中心位置。

实际计算中可能需要设置参考压力位置到绝对静压已知的位置处。

在OperatingConditions对话框中的ReferencePressureLocation选项组中设置新的参考压力位置的x，y，z的坐标即可。

如果要考虑某一方向的加速度，如重力，可以勾选Gravity复选框。

对于VOF计算，应当选择SpecifiedOperatingDensity，并且在OperatingDensity下为最轻相设置密度。

这样做排除了水力静压的积累，提高了round-off精度为动量平衡。

同样需要打开ImplicitBodyForce，部分平衡压力梯度和动量方程中体积力，提高解的收敛性。

ReferencePressureLocation（参考压强位置）应是位于流体永远是100%的某一相（空气）的区域，光滑和快速收敛是其基本条件。

单击Define→OperatingConditions。

在OperatingPressure中输入10000Pa，选中重力Gravity，在Z中输入9.81m/s2，OperatingTemperature输入303K，点击OK确认。

5定义多组分模型

（1）在Model（模型）中选择SpeciesTransport（组元输运）。

（2）在Reactions（反应）中选择VolumetricReactions（体积反应）。

（3）在MixtureMaterial（混合物材料）中选择所计算问题中涉及到的反应物，则Number

ofVolumetricSpecies（体积组元数量）中自动显示混合物中的组元数量。

（4）在Turbulence-ChemistryInteraction（湍流与化学反应相干模型）中根据需要选择相应的模型。

如果选择了Eddy-DissipationConcept（EDC），则可以进一步修改VolumeFractionConstant（体积浓度常数）和TimeScaleConstant（时间尺度常数）

（6）如果想完整计算多组分的扩散或热扩散，就选中FullMulticomponentDiffusion（完整多组分扩散）和ThermalDiffusion（热扩散）选项。

在上面的设置过程中，如果需要查看混合物中组分和化学反应的相关设置，可以在Species（组元）面板中，点击MixtureMaterial（混合物材料）右边的View（观看）按钮。

如果计算中用到的混合物模型是一种新的混合物，则需要在Material（材料）面板中创建混合物，然后再将新定义的混合物选作计算用的混合物。

混合物的定义过程包含组分选取、反应模型设定、反应机制设定等几个步骤，下面逐一介绍。

层流条件下，Model模型中只能选择SpeciesTransport组元运输一项。

Turbulence-ChemistryInteraction（湍流与化学反应相干模型）中也只有一项。

在Models中选中SpeciesTransport单选按钮，在Reactions中选中Volumetric和Wallsurface复选框，在WallSurfaceReactionOptions中选中MassDepositionSource复选框，在Options中选择InletDiffusion,FullMulticomponentDiffusion，ThermalDiffusion复选框，单击OK按钮确认。

6设置材料

1）添加砷化氢arsine

1，双击air

2，在name中输入arsine和chemicalformula处输入ash3；比热容cp选择kinetic-theory；导热系数thermalconductivity选择kinetic-theory；粘度viscosity选择kinetic-theory；分子量molecularweight选择constant为77.95；标准状态焓standardstateenthalpy为0；标准状态熵standardstateentropy为130579.1；基准温度referencetemperature为298.15。

3，点击change/create，创建新物质，在弹出的是否覆盖选择no。

4，双击arsine

在L-JcharacteristicLength特征长度输入4.145（埃米）；L-JEnergyParameter能量参数中输入259.8。

单击Change/Create按钮。

2）添加三乙基镓、甲基、氢气、镓（固体）、砷（固体）、镓、砷

参数

Ga（CH_3）_

三乙基镓

3CH_3

甲基

H_2

氢气

Ga_s

镓

As_s

砷

镓（固）

砷（固）

Name

tmg

ch3g

hydro-gen

ga_s

as_s

ChemicalFormula

gach33

ch3

ga_s

as_s

CP（specificheat）

kinetic-theory

520.64

1006.43

Thermalconductivity

kinetic-theory

0.0158

kinetic-theory

Viscosity

kinetic-theory

2.125e-05

kinetic-theory

Molecularweight

114.83

2.02

69.72

74.92

69.72

74.92

Standardstateenthalpy

2.044e+07

3117.71

Standardstateentropy

130579.1

257367.6

130579.1

154719.3

referencetemperature

298.15

L-JcharacteristicLength

5.68

3.758

2.827

L-JEnergyParameter

398

148.6

59.7

Degreeoffreedom

7编辑组信息

1，修改组命名

双击mixture-temple，name中输入gaas_deposition。

单击change，点击yes确认。

2，编辑组分信息

在mixturespecies中

组分选取

首先进入Materials（材料）面板：

Define->Materials...

在Materials（材料）面板上，先在Name（名称）中为新的混合物确定一个名称，然后在MaterialType（材料类型）里选择mixture（混合物）。

如果有与目标相近的混合物模型，可以在下面的MixtureMaterial（混合物材料）中选择一样，比如methane-air（甲烷－空气），然后在下面Properties（性能）中做详细设置，即按顺序设置组元、反应类型、反应机制等等：

（1）点击MixtureSpecies（混合物组元）右边的Edit（编辑）按钮进入Species（组元）面板，如图7-11所示。

在Mixture（混合物）下面有4个框，即AvailableMaterials（可用材料），SelectedSpecies（已选组元），SelectedSiteSpecies（已选吸收组元）和SeletedSolidSpecies（已选固体组元）。

AvailableMaterials（可用材料）是指材料数据库中可供选用的材料；SelectedSpecies（已选组元）是指当前混合物中已经选中的组元；SelectedSiteSpecies（已选吸收组元）是指在存在物面反应的计算中，气相混合物中即将通过反应被物面吸收的组元；SelectedSolidSpecies（已选固体组元）是指物面反应计算中将从物面进入气流的组元。

显然，如果不存在物面反应，则不用考虑后面两个方框中的内容，整个设置过程会大大简化。

组元设置的中心任务是选择混合物组元，即设定SelectedSpecies（已选组元）的内容。

在Materials（材料）面板中，点击Database...（数据库）按钮打开DatabaseMaterials（数据库中材料）面板，拷贝所需的组元后，再回到Species（组元）面板。

在拷贝之前，需要确认MaterialType（材料类型）必须是fluid（流体）。

这里不必担心如何添加物面反应中参与反应的固体组元，因为实际上这些组元也会出现在fluid（流体）的列表中。

在SelectedSpecies（已选组元）中，最后一项必须是质量浓度最大的一个组元。

如果最后一项不是质量浓度最大的一项，可以先将质量浓度最大的组元从方框中删除，然后再重新添加进来，以保证这个组元处于方框的底部。

添加和删除操作是通过选择相应的组元，然后点击Add（添加）和Remove（删除）按钮实现的。

本例中点击mixturespecies旁单击edit按钮弹出species（组分）对话框，调整各类型组分

SelectedSpecies

SelectedSiteSpecies

SeletedSolidSpecies

ash3

ga_s

ga（ch3）3

as_s

ch3

注：

这里需要设置好selectedspecies的排列顺序，在后面边界条件设置中velocityinlet中species体现的三个组分，是按顺序排列的前三个

化学反应设定

组元设置完成后，就可以开始设置组元间的化学反应。

在Materials（材料）面板中，Reactions（反应）下拉列表中显示的反应类型取决于SpeciesModal（组元模型）面板中Turbulence-ChemistryInteraction（湍流－化学反应相干）模型的设置——如果设置的是LaminarFinite-Rate（层流有限速率）模型或EDC模型，则反应类型显示为finite-rate（有限速率）；如果设置的是Eddy-Dissipation（涡耗散）模型，则反应类型显示为eddy-dissipation（涡耗散）；如果设置的是Finite-Rate/Eddy-Dissipation（有限速率/涡耗散）模型，则反应类型显示为finite-rate/eddy-dissipation（有限速率/涡耗散）。

点击右端的Edit（编辑）按钮进入Reactions（反应）面板（如图7-13所示），在Reactions（反应）面板中完成对化学反应模型的设置。

化学反应的设置主要包括下列几项内容：

1）在TotalNumberofReactions（总的反应数量）中设定总的反应数量；

2）在ReactionName（反应名称）中指定反应名称；

3）在ReactionID（反应编号）中指定每个反应的编号；

4）在ReactionType（反应类型）中指定反应类型，即指定反应类型为Volumetric（体积）、WallSurface（物面）或ParticleSurface（颗粒表面）；

5）在NumberofReactants（反应物数量）和NumberofProducts（生成物数量）中指定反应的反应物数量和生成物数量。

然后在Species（组元）下拉菜单中选择反应物和生成物，并在Stoich.Coefficient（反应系数）中设定组元在指定反应方程中的系数。

在RateExponent（速率指数）中设定组元的速率指数，即组元生成速率方程中指定反应方程中摩尔浓度项的指数。

6）如果在SpeciesModal（组元模型）面板的Turbulence-ChemistryInteraction（湍流－反应相干模型）中选择的是laminarfinite-rate（层流有限速率）、finite-rate/eddy-dissipation（有限速率/涡扩散）或EDC模型时，则需要根据反应模型设置ArrheniusRate（Arrhenius速率）下面的选项。

由于篇幅所限，这里不再详述。

7）根据实际反应过程，确定是否选择IncludeBackwardReaction（包含逆向反应）选项。

8）如果使用eddy-dissipation（涡扩散）或finite-rate/eddy-dissipation（有限速率/涡扩散）模型，则还需要设定MixingRate（混合速率）。

9）重复2）～8）步直到设置完所有反应，然后点击OK按钮完成全部设定过程。

反应模型设定

在区域上定义反应机制

本例中，在Reaction旁单击edit按钮，在Reaction对话框，NumberofReactants中输入2，化学反应输入数据如下表。

参数

反应一

反应二

Reactionname

gallium-dep

Arsenic-dep

ReactionID

Reactiontype

Wallsurface

Numberofreactants

Species

ash3，ga_s

gach33，as_s

Stoich.Coefficient

ash3=1，ga_s=1

gach33=1，as_s=1

Rateexponent

ash3=1，ga_s=1

gach33=1，as_s=1

ArrheniusRate

PEF=1e+06，AE=0，TE=0.5

PEF=1e+12，AE=0，TE=0.5

Numberofproducts

Species

ga，as_s，h2

as，ga_s，ch3

Stoich.Coefficient

ga=1，as_s=1，h2=1.5

as=1，ga_s=1，ch3=3

Rateexponent

as_s=0，h2=0

ga_s=0，ch3=0

PEF=Pre-ExponentialFactor，AE=ActivationEnergy，TE=TemperatureExponent

反应机制设定

FLUENT中提到的“反应机制（reactionmechanisms）”指的是局限在特定区域中的化学反应。

“反应机制”中涉及的反应是前面设定的化学反应的子集。

在Materials（材料）面板中，点击Mechanisms（机制）旁边的Edit（编辑）按钮，可以打开ReactionMechanisms（反应机制）面板，如图7-14所示。

具体步骤如下：

1、在NumberofMechanisms（反应机制数量）中设定反应的数量。

2、设定MechanismsID（反应机制编号）。

3、设定Name（名称）。

4、在ReactionType（反应类型）中设定反应类型。

在反应类型确定后，属于这个类型的反应就会出现在Reactions（反应）列表中。

5、选定反应机制中包含的反应。

如果选定的反应类型是WallSurface（壁面反应）并且其中包含吸收反应，则还需要对吸收反应进行专门的设定，即设定NumberofSites（吸收反应数量）、SiteName（吸收反应名称）、SiteDensity（吸收密度），点击Define（定义）按钮还可以进一步选定吸收反应中的被吸收组元和被吸收组元的InitialSiteCoverage（初始吸收覆盖率）等参数。

本例中，在mechanism旁单击Edit按钮弹出，reactionmechanisms对话框。

在NumberofMechanisms中输入1，Name中输入gaas-ald，ReactionType选择WallSurface，Reactions中选择gallium-dep和arsenic-dep，NumberofSites中输入1，SiteDensity中输入1e-08。

单击define按钮，在Siteparameters对话框，TotalNumberofSiteSpecies中输入2，InitialSiteCoverage中ga_s输入0.7，as_s输入0.3。

单击Apply确认。

在导热性thermalconductivity选择mass-weighted-mixing-law，粘度viscosity选择mass-weighted-mixing-law。

在计算多组元混合物时，可以在ThermalConductivity（导热系数）右边的下拉列表中选择mass-weighted-mixing-law（质量加权混合律）定义导热系数。

如果混合物为理想气体，则应该选择ideal-gas-mixing-law（理想气体混合律）。

如果用理想气体混合律计算混合物的导热系数，则必须同时使用ideal-gas-mixing-law（理想气体混合律）或者mass-weighted-mixing-law（质量加权混合律）计算粘性，因为只有这两种方法可以用于指定多组元混合物的粘性

多组元混合物的导热系数也可以用UDF（用户自定义函数）来定义，其选项为user-defined（用户定义）或user-defined-mixing-law（用户定义混合律），详细设置方法请参见UDF的相关章节

在FLUENT中定义组元相关粘度的步骤如下：

在Viscosity（粘度）右边的下拉列表中选择mass-weighted-mixing-law（质量加权混合律）。

如果在密度定义中使用了理想气体定律，则选择ideal-gas-mixing-law（理想气体混合定律）。

如果准备用自定义函数定义粘度，则选择user-defined（用户自定义），或选择user-defined-mixing-law（用户自定义混合律）。

user-defined-mixing-law（用户自定义混合律）是采用UDF来定义混合物的粘度，其基本定义方法也是先分别定义混合物中的各种组元，再用各组元的物性参数计算出混合物的粘度。

user-defined（用户自定义）则是以混合物粘度参数为对象进行定义的。