Fluent-表面化学反应模拟

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2 定义求解器 3 开启能量方程

4 操作工况参数operating conditions

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。ANSYS FLUENT中有以下几个压力,即Static Pressure(静压)、Dynamic Pressure(动压)与Total Pressure(总压);Absolute Pressure(绝对压力)、Relative Pressure(参考压力)与Operating Pressure(操作压力)。

这些压力间的关系为,Total Pressure(总压)=Static Pressure(静压)+Dynamic Pressure(动压);Absolute Pressure(绝对压力)=Operating Pressure(操作压力)+Gauge Pressure(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ANSYS FLUENT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,ANSYS FLUENT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ANSYS FLUENT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 理想气体定律 理想气体定律 关于温度的函数 常数 马赫数 大于0.1 小于0.1 不可压缩 不可压缩 操作压力 0或约等于流场的平均压力 约等于流场的平均压力 不使用 不使用 约等于流场的平均压力 不可压缩的理想气不可压缩 体 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,ANSYS FLUENT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Operating Conditions对话框中的Reference Pressure

Location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Specified Operating Density,并且在Operating Density 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 Implicit Body Force,部分平衡压力梯度和动量方程中体积力,提高解的收敛性。

Reference Pressure Location(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→Operating Conditions。在Operating Pressure中输入10000 Pa,选中重力Gravity,在Z中输入9.81 m/s2,Operating Temperature输入303 K,点击OK确认。

5 定义多组分模型

(1)在Model(模型)中选择Species Transport(组元输运)。 (2)在Reactions(反应)中选择 Volumetric Reactions(体积反应)。

(3)在Mixture Material (混合物材料)中选择所计算问题中涉及到的反应物,则Number of Volumetric Species(体积组元数量)中自动显示混合物中的组元数量。

(4)在Turbulence-Chemistry Interaction(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-Dissipation Concept (EDC),则可以进一步修改Volume Fraction Constant(体积浓度常数)和Time Scale Constant(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Full Multicomponent Diffusion(完整多组分扩散)和Thermal Diffusion(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Mixture Material(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。

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