顆粒表面反應模擬的案例
基于ANSYS Fluent軟件的顆粒表面反應專題應用培訓
課程名稱：基于ANSYS Fluent軟件的顆粒表面反應專題應用培訓
預排開課日期：4/11-4/12
課程難度：高階級
培訓費：5000
備注：實際開課日期或因學員報名情況進行調整，最終日期請以笛佼科技官方確認為準。
掃碼報名
學員能力提升目標
· 了解ANSYS化熱反應/燃燒相關解決方案
· 熟悉ANSYS Fluent顆粒表面反應的類型及應用場景
· 掌握ANSYS Fluent顆粒表面反應速率的常用定義方式：標準界面/UDFs
· 掌握ANSYS Fluent顆粒表面反應的常用分析流程
· 熟悉顆粒表面反應的常見案例
授課內容提綱
一、化學反應模擬概述及ANSYS化學反應解決方案介紹
二、ANSYS Fluent顆粒表面反應類型及設置簡介
三、ANSYS Fluent顆粒表面反應速率UDFs定義介紹
四、ANSYS Fluent顆粒表面反應案例分享
4.1、金屬顆粒表面反應應用案例分享
4.2、碳酸鈣顆粒分解反應應用案例分享（基于缺省表面反應速率定義方式）
4.3、碳酸鈣顆粒分解反應應用案例分享（基于UDFs方式定義表面反應速率）
4.4、煤氣化應用案例介紹(體積反應/顆粒表面反應)
師資力量
CAE行業資深工程師團隊，學歷碩博為主，均擁有多年客戶仿真項目實操經驗，理論素養與實戰經驗雙保險。
培訓優勢
采用線下小班精講形式，理論知識+案例講解+上機輔導，附贈培訓相關資料，可獲取講師微信課后交流。
上課地址
上海市楊浦區國安路432號保輝國際大廈D座802室
其他說明
1. 培訓計算機及相關軟件操作權限由笛佼科技現場提供；
2. 培訓結束后將獲取笛佼科技官方培訓證書；
3.
展開 液固兩相流中顆粒撞擊對不銹鋼表面電化學反應的影響
當再次用同樣數量的顆粒群撞擊表面時，開路電位再次發生急劇減小和緩慢上升的過程。
(a)純液體射流
(b)液固兩相射流
圖5 13Cr表面極化曲線
圖5為純液體和液固兩相射流中的13Cr表面極化曲線，圖（a）純液體中的極化曲線顯示出隨液體流速增加，金屬表面腐蝕電位降低，同時腐蝕電流密度增加。圖（b）顯示在液固兩相流中，陽極極化曲線發生劇烈跳動，電流密度不斷在10-2和10-3量級變化。這種變化可能受顆粒撞擊影響，不銹鋼表面鈍化膜不斷被剝離然后再鈍化，無法形成穩定的陽極鈍化區間。
3
小結
當顆粒撞擊金屬表面時，通常會瞬間破壞表面已建立的穩定電化學反應平衡體系，使未發生反應的基體金屬與反應物接觸，形成新的反應步驟。因此，研究顆粒撞擊過程金屬表面的電化學參數變化是分析沖蝕腐蝕協同作用的重要方向，包括液體局部流動狀態分析，近壁面物質傳遞分析，金屬表面粗糙度影響分析，金屬硬度變化分析，縫隙腐蝕分析等內容。
此外，作為影響電化學反應進程的重要因素，在多數液固兩相流中物質傳遞速率直接影響電化學反應進程，進而改變腐蝕速率。
展開 SDS反應器采用內外套筒式，以增加煙氣及小蘇打在管道中的混合時間，CFD模擬分析SDS反應器內小蘇打顆粒的分布狀態 ￥20
加擾流前
經CFD模擬，小蘇打在SDS反應器內的流動擴散狀態如下圖所示：
圖3 加擾流前小蘇打顆粒在反應器內分布圖
從圖3中可以看出：小蘇打顆粒出噴管后，在反應器內筒沒有發生明顯的擴散，而是呈一束顆粒流隨煙氣上升，在撞擊至外筒頂部時，大量的小蘇打顆粒向外筒一側（出口側）擴散，直接到達出口，即袋除塵器入口；而另一側僅有少量的小蘇打顆粒通過，導致煙氣和小蘇打未能發生充分的混合，背離了設計此種內外筒結構的初衷。
某鋼鐵公司SDS脫硫反應器，進行熱風爐補熱溫度場分析及小蘇打顆粒的氣固兩相流分析，研究其溫度場和顆粒混合的均勻性 ￥20
本案例為某鋼鐵有限公司2×600t/d石灰雙膛窯SDS脫硫反應器，脫硫工藝采用鈉基干法脫硫+布袋除塵器方案；本次模擬主要有兩個目的：（1）由于冬季SDS反應器內煙氣溫度較低（約70℃），需通過熱風爐將煙氣加熱至約150℃，因此，需對熱風爐后的溫度場進行模擬，并添加合適導流形式，以保證在短距離內可實現溫度的均勻分布；（2）小蘇打噴槍沿煙道徑向垂直深入，為保證均勻噴射，對噴射點及后續流場進行模擬，分析SDS反應器內小蘇打顆粒的分布狀態，并添加相應的擾流措施來確保小蘇打又好又快地與煙氣混合均勻。
模型建立
按照反應器所提供圖紙大小以1：1建立三維模型，模型如下：
圖1 SDS反應器模型
圖中in1為溫度場監測面，i1~i3為小蘇打顆粒分布監測面。
邊界條件
計算參數如下，q1煙氣量為113077m3/h，煙氣溫度為70℃。進口邊界條件為速度進口，進口速度為26.88m/s；q2煙氣量為26385m3/h，煙氣溫度為70℃。進口邊界條件為速度進口，進口速度為14.59m/s；熱風爐進口熱煙氣量可等同于約22317m3/h，進口速度為42.71m/s；小蘇打粉量63kg/h；出口邊界條件為壓力出口，壓力值為0Pa。湍流模型采用LES模型，壁面函數為標準壁面函數，固壁面設置為無滑移壁面。
展開 
FRED案例展示：繪制表面顆粒（Mie） 散射圖
然而，表面顆粒 (Mie) 散射模型具有向前和向后的散射分量，在BSDF繪圖中需要加以考慮，但FRED中的默認繪圖類型僅適用于反射散射。
本文章中包含的FRED文件加載了一個嵌入式腳本，該腳本將BSDF數據寫入 Microsoft Excel進行交互繪圖，并說明該模型在傳輸過程中的應用。
①腳本概述
創建繪圖的嵌入式腳本利用FRED軟件功能，可調用COM和ScatterEval腳本功能與Microsoft Excel等程序進行交互。該腳本的偽代碼如下：
1.找到 Mie 散射節點并獲取其屬性；
2.創建 Excel 應用程序對象和工作簿文件；
3.開始循環入射角結構程序；
a.設置入射和鏡面方向矢量（考慮透射或反射）。
b.開始循環散射角結構程序。
a.散射角度范圍設置在 -89.5 °至 89.5 °之間。
b.使用ScatterEval函數根據入射向量、鏡面反射向量和散射向量計算 BSDF 值。
c.將BSDF數據導入Excel文件中。
4.在Excel文件中繪制最終結果。
用于入射、鏡面反射和散射方向矢量的坐標系如下圖1所示。在透射的情況下，鏡面方向矢量與入射方向矢量相同。在反射的情況下，鏡面方向矢量在z方向上改變符號。
圖1.方向矢量坐標系
除了設置 Excel 對象和指定方向向量之外，腳本中只有幾個散射模型本身的特定命令。使用特定于 scatter 的腳本命令包括：
FindScatter–返回散射模型的節點編號。
ScatterPrepareForEval–對內部初始化散射模型進行評估。此操作必須在 ScatterEval 命令之前運行。
GetMieScatter– 將mie散射模型的設置加載到 T_MIESCATTER 結構類型中。
展開 表面顆粒（Mie）散射繪圖 Plotting Surface Particulate (Mie) S
然而，對于顆粒或Mie散射模型來說，它是一個體效應，不僅有前向散射還有后向散射，這在BSDF繪圖時需要考慮。
下面文檔及例程是有關顆粒散射的使用方法，請下載：
Mie Scatter Plotting
http://fred-kb.photonengr.com/files/2011/01/miePlottingExcel.frd
織物表面微滴噴射反應成形導電線路基礎研究
為了解決織物表面沉積導線出現的液體滲透、擴散等問題，研究了織物不同表面改性處理方法對微滴沉積效果的影響，結合織物組織結構和纖維類型，確定適合的織物表面處理和織物結構作為線路沉積沉積基板；為了提高微滴按需可控噴射和微滴定點沉積尺寸的均勻性，利用搭建的實驗平臺，實現硝酸銀和抗壞血酸的按需可控噴射，在此基礎上，在選定的織物基板上進行兩種溶液的定點沉積反應試驗研究，對定點沉積反應后點的尺寸均勻性進行研究；基于微滴噴射打印化學反應沉積原理，對不同基板速度和不同沉積序列成形導線進行研究，明確二者對成形導線導電性能和微觀形貌的影響規律，為織物表面沉積成形高質量導線提供指導。
試驗結果
以微滴沉積效果為依據，從微滴沉積狀態和潤濕時間對改性處理后織物潤濕性進行評價，結果表明，經陽離子脂肪酰胺TF449A處理后的織物，微滴的沉積效果最佳，接觸角為78.5°，潤濕時間從1.9s增加178.2s，微滴擴散面積從2.13 mm2減小至0.47mm2；利用搭建的微滴噴射實驗平臺，實現了硝酸銀和抗壞血酸的按需穩定噴射，獲得了二者穩定噴射的工藝參數。微滴按需噴射和點陣沉積試驗研究表明，系統可實現兩種溶液的按需噴射和定點沉積反應，且成形的點陣均勻性較好，產物主要為銀顆粒；不同基板運行速度沉積銀導線試驗研究表明，隨著速度的增大，線寬先增大后減小，且在0.40mm /s時，成形導線的均勻性較好；成形導線微觀形貌分析及導電性測試表明，隨著速度的變化，織物表面生成的銀顆粒先增多后減少，導線的方阻均值和標準偏差先減小后增大。且在0.40 mm/s 生成的銀層較為致密，方阻均值和標準偏差為最小。成形導線具有導電性，初步實現了織物表面導電線路的打印成形。
展開 表面處理技術分享（第二十四講：鈍化反應的機理簡述）
1、成相膜理論(“物理隔離”)
成相膜理論認為，鈍化的核心是金屬表面生成了一層獨立的固相保護膜。當金屬發生陽極溶解時，溶解產生的金屬離子與介質中的氧、氫氧根等粒子結合，在金屬表面沉積形成一層致密、覆蓋完整的固體產物薄膜。這層薄膜如同給金屬穿上了一件“防護服”，將金屬基體與腐蝕介質機械地隔離開來，從物理層面阻礙陽極溶解過程的持續進行。
成相膜的關鍵特征是“致密性”和“覆蓋性”：膜層結構緊密，孔隙率極低，能有效阻擋離子的遷移與擴散；同時，膜與金屬基體結合牢固，不易脫落，確保長期防護效果。例如，不銹鋼表面的鈍化膜主要由Cr?O?組成，這層膜結構致密、化學性質穩定，即便受到輕微劃傷，也能在空氣中快速自愈，繼續發揮防護作用。
2、吸附理論(“表面改性”)
與成相膜理論不同，吸附理論強調鈍化的核心是金屬表面反應能力的降低，而非物理隔離。該理論認為，金屬鈍化時，表面會快速吸附一層氧或含氧粒子（如O2?、OH?等），形成一層極薄的吸附層。這層吸附層雖未形成獨立的固相膜，卻能改變金屬/溶液界面的電子結構，顯著提高金屬陽極溶解的活化能，使金屬表面的反應活性大幅下降，從而達到鈍化效果。
吸附理論很好地解釋了某些特殊情況：例如，部分金屬在極低濃度的氧化劑中就能實現鈍化，且鈍化膜厚度遠超化學計量比，這無法用成相膜理論的“物理隔離”來解釋，而吸附層對表面活性位點的覆蓋與抑制作用則能給出合理答案。
目前普遍認為，實際鈍化過程中，成相膜與吸附層可能同時存在，二者協同作用實現金屬的穩定鈍化。
四、電化學視角解析鈍化全過程
鈍化過程的本質是復雜的電化學反應，通過分析金屬的陽極極化曲線，可清晰觀察到鈍化的四個特征階段，直觀理解金屬從“活性溶解”到“穩定鈍態”的轉變過程。
展開 CFDPro顆粒流仿真 | 基于拉格朗日粒子追蹤方法，模擬復雜顆粒的流動現象
應用案例
案例一：發動機葉片顆粒防護優化
某航空發動機制造商利用該ParticlePro模塊對發動機葉片在飛行過程中遭遇吸雨吸雹的情況進行仿真。通過模擬碰撞過程，工程師們得以精確評估不同設計對葉片抗沖擊能力的影響，優化葉片材質、形狀及表面處理工藝。
應用模塊的拉格朗日粒子追蹤方法，可模擬雨滴、冰雹與葉片的碰撞過程，詳細記錄碰撞點、碰撞角度、碰撞速度以及碰撞后的顆粒破碎情況。重點關注不同碰撞條件下葉片所承受的沖擊力、變形情況以及潛在的疲勞損傷。
通過模擬應用，成功優化了發動機葉片設計，使得葉片抗雨滴、冰雹沖擊能力相較于原設計有顯著提高，降低了飛行過程中因顆粒沖擊導致的葉片損壞風險。
渦輪葉片顆粒流仿真
案例二：重力塔液滴冷卻優化
某化工廠采用重力塔進行工藝液體的冷卻處理，通過ParticlePro模塊所采用的歐拉-拉格朗日顆粒追蹤模型以及可壓縮模型對重力塔中液滴過程進行了數值模擬分析，數值模擬過程中考慮了液滴換熱效果。
應用該模擬模塊的拉格朗日粒子追蹤功能，模擬單個液滴在塔內的運動軌跡，包括液滴在重力、浮力、阻力、湍流作用下的上升、碰撞、蒸發等過程。重點關注液滴在填料層間的分布、蒸發速率以及與氣流的熱交換效果。
借助該模擬模塊，該化工廠成功優化了重力塔液滴冷卻過程，不僅提升了冷卻效率，還解決了塔底積液問題，確保了設備穩定運行。
重力塔中的液滴過程
國產自主流體仿真軟件CFDPro
CFDPro為基于有限體積法求解單相流/多相流NS方程的計算流體動力學仿真軟件，采用Level Set界面追蹤方法、具備領先的湍流模型、豐富的相變模型，配置燃燒模型和反應機理接口，更加適用于復雜的工程計算模擬分析。
展開 原位拉曼光譜研究鉑單晶表面氧還原反應機理取得新突破
圖 2 酸性條件下，Pt(hkl)單晶表面ORR過程分析和Pt(111)單晶表面ORR過程的原位SHINERS研究及HO2*物種的DFT理論模擬
（a）O2飽和的0.1 M HClO4溶液中，三個基礎Pt(hkl)單晶電極表面ORR反應的RDE極化曲線，轉速為1600 r/min，掃速50 mV s-1；
（b）O2飽和的0.1 M HClO4溶液中，Pt(111)單晶電極表面ORR過程的原位SHINERS光譜圖；
（c）O-OH伸縮振動峰（732 cm-1附近），在不同電位下的歸一化強度圖；
（d）Pt(111)表面頂位和橋位吸附構型的HO2*物種的DFT理論模擬圖。
圖 3 酸性條件下，Pt(100)和Pt(110)單晶表面ORR過程的原位電化學SHINERS結果和Pt(110)表面OH*物種的DFT理論模擬圖
（a，b）0.1 M HClO4溶液中，Pt(100)（a）和Pt(110)（b）單晶電極表面ORR過程的原位SHINERS光譜圖；
（c）Pt(110)表面，頂位吸附的OH*物種的DFT理論模擬結果。
圖 4 堿性條件下，Pt(hkl)單晶表面ORR過程的原位電化學SHINERS光譜圖
O2飽和的0.1 M NaClO4溶液中（pH~10.3），Pt(110)（a）、Pt(111)（b）和Pt(100)（c）單晶電極表面ORR過程的原位電化學SHINERS光譜圖。
展開 Fluent-化學反應-1 預混氣體（甲烷空氣）化學反應的數值模擬
EX5-6.rar
gaseous combustion.zip
wb.rar
Fluent專家-化學反應-1
預混氣體（甲烷空氣）化學反應的數值模擬
案例簡介
本案例涉及空氣與甲烷的反應，空氣入口速度8m/s，入口直徑1mm，甲烷的入口速度為4m/s，兩個入口間距3mm，水平直管段長度為15mm，寬為0.5mm，幾何模型如下圖所示。
視頻播放地址：http://www.yqgqt.org.cn/college/video/c10173
fluent-化學反應-案例1-預混氣體（甲烷空氣）化學反應的數值模擬
hxfy-1.rar
fluent-化學反應-案例1-預混氣體（甲烷空氣）化學反應的數值模擬
案例簡介
本案例涉及空氣與甲烷的反應，空氣入口速度8m/s，入口直徑1mm，甲烷的入口速度為4m/s，兩個入口間距3mm，水平直管段長度為15mm，寬為0.5mm，幾何模型如下圖所示。
知識點：化學反應、渦耗散模型、甲烷空氣混合物模型、燃燒、繪制xy plots曲線等
視頻播放地址：http://www.yqgqt.org.cn/college/video/c10173
展開 OpenFOAM料斗顆粒模擬 ￥10
<p>模擬清空充滿顆粒的料斗。這是 OpenFOAM 測試用例的示例/教程。用于模擬的解算器是 icoUn CoupledKinematicParcelFoam。 icoUn CoupledKinematicParcelFoam 是一種瞬態求解器，用于單個運動粒子云的被動傳輸。它使用預先計算的速度場來形成粒子云。</p><div contenteditable="false" width="100%">
<br>
</div><div contenteditable="false" width="100%">
<p class="normal-img" contenteditable="false" style="--tw-shadow: 0 0 #0000; --tw-ring-inset: var(--tw-empty,/*!*/ /*!
展開 激波作用下顆粒層動態演化的雙流體模擬
P2處壓力變化大致可以分為5個階段：在第一階段壓力維持在常壓；隨后壓力急劇增大，表明透射的沖擊波前沿抵達P2監測點，實驗測得的抵達時間為1.5ms，峰值壓力為1.6bar，模擬得到的抵達時間為1.5ms，峰值壓力為1.5bar；在第三階段，P2處透射波致使壓力仍逐漸增大，但是增大的速率要小于第二階段，該階段的結束時間和對應壓力，實驗測量結果為3.0ms和2.3bar，數值模擬結果為3.1ms和2.3bar；第四階段，實驗結果和數值模擬結果都表明P2處壓力近似保持不變，這主要是透射波和接觸波已經通過P2處，然而顆粒層仍未到達P2位置；在第五階段，P2處壓力逐漸增大，這主要是因為該階段固相顆粒已拋灑至P2位置，P2位置始終處于顆粒云內部，由于顆粒運動而產生的壓縮波使壓力逐漸增加。
試驗中通過對顆粒層動態演化高速攝像圖片的數值處理追蹤了沖擊波掃過之后，顆粒床層左右表面位置的時間演化。圖4對比了模擬預測結果和實驗結果，監測點位于y=0.1m。在高速氣體的沖擊壓縮和夾帶作用下，顆粒層呈現整體向右移動的趨勢；顆粒層左側表面處物料同時受到氣體向右的沖擊夾帶作用和向左的固體應力阻礙作用，而顆粒層右側表面與常壓氣體毗鄰，所受阻力較小，這使得顆粒層右側表面的運動速度要明顯大于顆粒層左側表面的運動速度，即顆粒層整體上呈現向右膨脹的變化趨勢。由圖4看到模擬預測結果能夠與實驗測量結果很好的定量吻合，再次說明本論文工作數值模擬結果的定性和定量可靠性。
展開 FLUENT管道內固體顆粒模擬
本教程演示了管道內固體顆粒隨氣流運動的設置和求解。幾何模型為二維模型。
1 啟動Workbench并建立分析項目
（1）在Windows系統下執行“開始”→“所有程序”→ANSYS 19.2→Workbench命令，啟動Workbench 19.2，進入ANSYS Workbench 19.2界面。
（2）雙擊主界面Toolbox（工具箱）中的Analysis systems→Fluid Flow（Fluent）選項，即可在項目管理區創建分析項目A。
2 導入幾何體
（1）在A2欄的Geometry上單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇Import Geometry→Browse命令，此時會彈出“打開”對話框。
（2）在彈出的“打開”對話框中選擇文件路徑，導入幾何體文件。
3 劃分網格
（1）雙擊A3欄Mesh項，進入Meshing界面，在該界面下進行模型的網格劃分。
（2）依次右鍵選擇模型下邊界和上邊界，在彈出的如圖16-79所示的快捷菜單中選擇Create Named Selection，彈出如圖16-80所示的Selection Name對話框，輸入名稱inlet和outlet，單擊OK按鈕確認。
（3）設置網格尺寸為0.01m。在Quality中，Smoothing選擇High。
（4）右鍵單擊模型樹中Mesh選項，選擇快捷菜單中的Generate Mesh選項，開始生成網格。
（5）網格劃分完成以后，單擊模型樹中Mesh項可以在圖形窗口中查看網格。
（6）執行主菜單File→Close Meshing命令，退出網格劃分界面，返回到Workbench主界面。
展開 