組分輸運模型的案例
十五、Fluent濕空氣模擬-組分輸運模型
<p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">FLUENT可以使用組分輸運模型來模擬濕空氣，但這只是組分輸運模型的一個簡單應(yīng)用，實際上對組分輸運模型應(yīng)用比較多的是燃燒和化學反應(yīng)問題。本文主要通過組分輸運模型模擬濕空氣問題來講解該模型的基本使用方法。</span></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);"> </span></p><p><strong style="background-color: rgb(0, 255, 0);">1 概念介紹</strong></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">什么叫做組分輸運？我們通過和多相流概念對比來進行理解，我們知道多相流是指相態(tài)不同（氣、液、固）的流體或相同相態(tài)但運動狀態(tài)不同的流體共同流動，對于這樣的問題我們使用多相流模型可以很清晰的查看流體的相界面分布情況。但是如果多種流體相態(tài)和運動狀態(tài)都相同，呈現(xiàn)出一種混合狀態(tài)比如空氣，不存在相界面，我們應(yīng)該如何模擬呢？-使用組分輸運模型，所以組分輸運模型實際上是模擬混合物各組分之間或與其他相之間的相互作用。</span></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">對于空氣，其由氧氣、氮氣、水蒸氣等氣體組成，如果我們只想了解其中水蒸氣各物理場分布情況，就可以使用組分輸運模型。本例用一個簡單的例子來簡要描述Fluent組分輸運模型模擬濕空氣問題。
展開 fluent-組分輸運-案例1-甲烷、硫化氫在空氣中的泄露擴散分布
fluent-組分輸運-案例1-甲烷、硫化氫在空氣中的泄露擴散分布
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本案例研究天然氣中硫化氫（H2S）在如下模型中的泄露擴散情況，泄露口采用2維孔口模型，口徑為0.06m，左側(cè)水平向右的風速為2.5m/s，幾何模型如下所示：通過對其進行fluent模擬，可以得到甲烷安全區(qū)。
知識點：組分輸運模型設(shè)置、多相流、歐拉模型等
視頻播放地址：http://www.yqgqt.org.cn/college/video/c10172
展開 管道內(nèi)多組分物質(zhì)流動
物質(zhì)屬性
（1）設(shè)置兩種物質(zhì)的密度和粘度參數(shù)
（2）設(shè)置混合物的擴散系數(shù)
湍流模型
選擇層流
組分輸運模型
激活組分輸運模型
邊界條件
（1）設(shè)置速度入口邊界條件
速度值有profile文件讀入，profile文件下載地址：
鏈接：https://pan.baidu.com/s/1y54Mhdvrp0UkZ__ZR7l0Jw 密碼：7444
在入口處組分B的百分比為0
（2）出口為壓力出口
（3）壁面邊界
在壁面物質(zhì)B的質(zhì)量百分比為1
初始化
初始化設(shè)置物質(zhì)B為0
計算結(jié)果
計算域云圖展示
組分百分比云圖
計算值與實驗值對比
這里將x軸不同位置處的A物質(zhì)質(zhì)量百分比結(jié)果進行對比
參考文獻
W.M. Kays and M.E. Crawford. Convective Heat and Mass Transfer. 3rd Edition. McGraw-Hill Book Co., Inc., New York, NY. 126-134. 1993.
展開 積鼎 VirtualFlow 案例 | 環(huán)路熱管相變換熱模擬，實現(xiàn)微通道氣液兩相、單相及流固耦合仿真計算
采用該軟件進行不凝性氣體凝結(jié)和蒸發(fā)相變數(shù)值模擬時，多相流模型均采用mixture模型，并啟用組分輸運模型，分別求解連續(xù)方程、體積分數(shù)方程、動量方程、能量方程和組分擴散方程，蒸發(fā)和冷凝過程中的相變通過UDF（User Define Function）在體積分數(shù)方程、能量方程和組分輸運方程中分別添加質(zhì)量源項、能量源項和相等的質(zhì)量源項實現(xiàn)。
本軟件提供組分輸運模型，其為基于組分質(zhì)量分數(shù)的輸運方程解，可利用預先定義的蒸發(fā)及冷凝機制對蒸發(fā)及冷凝過程進行模擬。在自研軟件中考慮到多組分的輸運時，將混合氣體作為一個研究的整體，利用多組分模型可以很好地解決含有兩種或者兩種以上組分的系統(tǒng)。當啟用多組分輸運模型后需要注意對于該混合物體系的控制方程求解，其中同樣包括連續(xù)性方程、動量方程以及多組分方程。
軟件計算結(jié)果
蒸發(fā)器部件仿真結(jié)果顯示，壁溫結(jié)果與實驗趨勢一致。冷凝器部件仿真結(jié)果顯示，壁溫結(jié)果與實驗趨勢一致。下面為具體的計算計算結(jié)果。
在50W功率下2D軸對稱條件下，蒸發(fā)器內(nèi)的流場最終達到穩(wěn)態(tài)。同樣這里也重新定義了入口的質(zhì)量流量。設(shè)置孔徑
計算的結(jié)果如下圖。
【蒸發(fā)器計算】
蒸發(fā)器的液相體積分數(shù)
蒸發(fā)器內(nèi)各統(tǒng)計量隨時間的變化：a)相變速率；b)液體/氣體總體積；c)質(zhì)量流量
蒸發(fā)器壁溫計算結(jié)果與測量結(jié)果比較
該算例采用了可壓縮勻相流計算模型，采用3D模型計算丙烯工況。計算冷凝器的結(jié)果如下。仿真結(jié)果中的溫度為橫截面上的流體均溫，可以比壁溫溫度高在冷凝器下游測量溫度升至230K，仿真中下游流體均溫保持不變。未考慮與外界環(huán)境的換熱。
展開 
三十八、Fluent融化凝固模型參數(shù)設(shè)置依據(jù)
wx_fmt=jpeg" width="100%"> </p><p><br></p><p><strong>1.2 融化凝固模型功能</strong></p><p><br></p><p>1.可模擬純物質(zhì)的凝固和融化，如Chapter37中的冰融化；</p><p>2.可模擬多組分溶液的凝固融化；</p><p>3.可模擬固化材料和壁面之間接觸熱阻（存在氣隙）</p><p> <img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/8tJMdLVYZy9PS7YGOK13P6cCoOib5JlHspKicZtV8Jg089WpO5x1wopepuibq8dUsySEDKnMZYI9P3TS4MkH8XLbw/640?wx_fmt=jpeg" width="100%"> </p><p><br></p><p><strong>1.3 融化凝固模型限制</strong></p><p><br></p><p>使用限制：</p><p>1.只能與基于壓力的求解器一起使用；不適用于基于密度的求解器。</p><p>2.不能用于可壓縮流動。</p><p><br></p><p>3.在一般的多相流模型（VOF、Mixture和歐拉）中，只有 VOF 模型可以與凝固/熔化模型一起使用。</p><p><br></p><p>4.打開組分輸運模型，除了組分的擴散系數(shù)之外，不能通過用戶界面為固體和液體材料設(shè)置單獨的材料屬性。如果必須要設(shè)置的話，可以通過UDF中的DEFINE_PROPERTY宏進行設(shè)置</p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p><strong>2.
展開 使用fluent中的VOF模型、Species組分運輸模型進行鋁水化學反應(yīng)模擬仿真 ￥1688
模擬對象為鋁水反應(yīng)器，其為一個圓柱形容器，為加快計算速度，本模擬選擇二維模型進行計算。使用fluent中的VOF模型、Species組分運輸模型進行鋁水化學反應(yīng)的設(shè)置，監(jiān)測溫度場變化。提供完整源文件和完整錄制教學視頻指導，可直接出圖，也可根據(jù)錄屏教程進行復現(xiàn)。
Fluent能夠做的事
首先是流動，fluent提供了非常豐富的流動模型，不僅可以模擬層流，同樣還可以模擬湍流，其中湍流提供了很多的模擬，比如著名的k-ε模型、Spalart-Allmaras 模型、k-ω模型、雷諾應(yīng)力模型（RSM）、大渦模擬模型（LES）等。模型的選擇和工況有關(guān)，當模型選擇不合適的時候，計算結(jié)果可能不那么精確。
其次是傳熱，fluent模擬傳熱時，只需要將能量方程選項打開，就能夠模擬熱傳導的熱對流了。但是如果想要模擬熱輻射，則需要單獨打開輻射換熱模型。輻射換熱也分了很多種類，在此不細說了。總是涉及到換熱和流動的，fluent基本都能夠模擬。同時fluent還專門提供了換熱器模型，當你需要對換熱器進行模擬時，可以打開這個模型
fluent還可以模擬多相流，fluent提供了比較多的多相流模型，比如VOF模型（適用于分層流、自由面流動、晃動、大氣泡流動、噴射衰竭表面張力預測等等）、混合模型（適用于氣泡流、粒子負載流、沉降及旋風分離器）、歐拉多相流是比較復雜的流動（適用于顆粒懸浮、流化床等）。
fluent還提供了離散型模型，用于模擬顆粒的流動，主要有DPM模型（稀疏的顆粒流動）、DDPM模型（稠密的顆粒流動）、PBM模型（使用歐拉方法求解顆粒流動）
傳質(zhì)問題，fluent可以使用不同的方法模擬蒸發(fā)、冷凝、凝固、融化，自帶的求解器也能夠解決這樣的問題。
同時fluent組分輸運模型可以用來模擬化學反應(yīng)，主要用于模擬燃燒過程
fluent能夠求解電勢方程，模擬電鍍、腐蝕、流體電池等問題，還可以模擬靜電除塵問題。
展開 三十四、Fluent液體噴霧蒸發(fā)模擬
模型描述
本案例模擬甲醇在鼓風霧化器中的霧化，甲醇在被引入鼓風霧化器之前被冷卻到-10℃。霧化器中有一股環(huán)形旋轉(zhuǎn)的氣流。同時為了簡化模型，本模型使用了旋轉(zhuǎn)周期性網(wǎng)格，只畫了1/12即30°的模型。
3. 基本設(shè)置
3.1 導入網(wǎng)格：
使用Fluent軟件打開Chapter34.msh.gz網(wǎng)格文件，文件在本文末尾鏈接資源內(nèi)。
3.2 修改模型尺寸
本案例模型尺寸保持默認即可，關(guān)于scale mesh詳細設(shè)置查看Chapter31 Fluent空化模型
3.3 求解器設(shè)置
基于壓力求解器，穩(wěn)態(tài)設(shè)置
4. 設(shè)置計算模型
4.1 能量方程
打開能量方程
4.2 湍流模型設(shè)置
4.3 組分輸運模型
打開組分輸運模型，將mixture material更改為methyl-alcohol-air（甲醇空氣混合物）
注：默認情況下這里的材料為mixture-template，想要出現(xiàn)methyl-alcohol-air需要在material面板下進行設(shè)置。設(shè)置好后此處才可選擇methyl-alcohol-air
5. 材料設(shè)置
5.1 添加methyl-alcohol-air材料
Materials-Mixture
在Materials下，單擊Mixture...，彈出如下面板，
單擊Fluent Database，找到methyl-alcohol-air，點擊copy
5.2 修改methyl-alcohol-air組分
單擊copy后，回到methyl-alcohol-air屬性設(shè)置界面。
展開 #184-地下天然氣泄漏仿真-多孔介質(zhì)影響（#193）對比
1、瞬態(tài)計算
2、湍流模型
3、組分輸運模型
4、組分設(shè)置
5、入口設(shè)置
6、入口成分設(shè)置
7、可根據(jù)需要設(shè)置是否有側(cè)風，以及側(cè)風大小（無側(cè)風時側(cè)邊設(shè)置為壓力出口）。
8、若需要考慮土壤（多孔介質(zhì)）的影響，則需將土壤部分另作為一個多孔介質(zhì)域，基本設(shè)置參考如下。
9、根據(jù)需要設(shè)置監(jiān)測點
04基本結(jié)果
#184-1-1：6.3MPa，泄漏孔徑40，流量12.8kg/s，無側(cè)風（不考慮土壤）
觀看動畫效果可下載附件（“動畫”）。
動畫.mp4
#184-1-2：6.3MPa，泄漏孔徑40，流量12.8kg/s，側(cè)風4m/s（不考慮土壤）
觀看動畫效果可下載附件（“動畫”）。
動畫.mp4
#184-1-3：6.3MPa，泄漏孔徑40，流量12.8kg/s，側(cè)風10/s（不考慮土壤）
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動畫.mp4
#184-2-1：泄漏孔徑120，流量115.2kg/s，無側(cè)風（不考慮土壤）
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#184-3-1：泄漏孔徑406.4，流量204.85kg/s，無側(cè)風（不考慮土壤）
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#193-1：1.5MPa，泄漏孔徑100，流量12.8kg/s，側(cè)風10/s（考慮土壤）
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展開 [案例分析]STARCCM+入門系列之——非預混丙烷化學反應(yīng)
使用反應(yīng)組分輸運時，機制中的所有組分將通過計算域?qū)α骱蛿U散，并且使用指定的化學機制發(fā)生反應(yīng)。STAR-CCM+ 中提供以下反應(yīng)組分輸運模型：復雜化學，渦破碎（EBU），旋渦接觸微觀混合（ECM）。復雜反應(yīng)適合于將詳細的化學信息引入CFD模擬，此模擬可求解數(shù)百個組分中的數(shù)千個化學反應(yīng)；渦破碎模型適合只有少數(shù)反應(yīng)步驟的機制；旋渦接觸微觀混合可用于液體液體化學中的擴散限制反應(yīng)；本算例的非預混丙烷反應(yīng)使用渦破碎反應(yīng)模型。
1、問題描述
本案例使用的三個方程顯示在本模擬中建模的三步反應(yīng)：
C3H8+ 1.5O2→3CO + 4H2
CO + 0.5O2→CO2
H2+ 0.5O2→H2O
空氣通過三個進風口進入燃燒室，丙烷通過燃料入口進入，在入口處，空氣和燃料的壓力都為1bar，溫度為293K。
2、幾何與網(wǎng)格
本案例使用已經(jīng)畫好的體網(wǎng)格，導入以后的幾何如下圖。
3、 STAR-CCM+設(shè)置
（1）
選擇反應(yīng)類型相應(yīng)的湍流模型；
（2）展開Gas Components節(jié)點，選擇本反應(yīng)所用的氣體模型，C3H8 (Propane), CO (Carbon Monoxide), CO2 (Carbon Dioxide), H2；(Hydrogen), H2O (Water), N2 (Nitrogen), and O2 (Oxygen)。
（3）定義化學反應(yīng)，在模型，渦破碎節(jié)點，將反應(yīng)設(shè)置為Standard EBU；右鍵點擊Reacting > Reactions節(jié)點，選擇New Reaction，在相應(yīng)的節(jié)點中將化學反應(yīng)的三個化學方程式寫入反應(yīng)中。
展開 VirtualFlow | 熱管相變換熱仿真，支持不同尺度的氣液兩相相變計算
其多相流模型采用mixture模型，并啟用組分輸運模型，分別求解連續(xù)方程、體積分數(shù)方程、動量方程、能量方程和組分擴散方程。
蒸發(fā)和冷凝過程中的相變通過UDF在體積分數(shù)方程、能量方程和組分輸運方程中分別添加質(zhì)量源項、能量源項和相等的質(zhì)量源項實現(xiàn)。
這種算法能夠精確地模擬吸液芯的毛細現(xiàn)象、蒸發(fā)管的沸騰、冷凝器的冷凝等復雜現(xiàn)象，為熱管的設(shè)計與優(yōu)化提供了堅實的技術(shù)支持。
（二）準確、可靠的計算結(jié)果
在實際案例中，VirtualFlow軟件展現(xiàn)了優(yōu)秀的計算精度和可靠性。以某物理研究所的環(huán)路熱管項目為例，在50W功率下2D軸對稱條件下，蒸發(fā)器內(nèi)的流場最終達到穩(wěn)態(tài)，其液相體積分數(shù)、相變速率、液體/氣體總體積、質(zhì)量流量等參數(shù)的計算結(jié)果與實驗趨勢高度一致。
蒸發(fā)器壁溫計算結(jié)果與測量結(jié)果的偏差基本控制在1.5℃以內(nèi)，冷凝器部件仿真結(jié)果同樣表現(xiàn)出色。整機仿真結(jié)果顯示，隨著熱流密度的增高，冷凝器中的液體體積先減后增，這一結(jié)果與實際物理現(xiàn)象相符，充分驗證了軟件的準確性和可靠性。
蒸發(fā)器內(nèi)各統(tǒng)計量隨時間的變化：a)相變速率；b)液體/氣體總體積；c)質(zhì)量流量
（三）解決方案優(yōu)勢
VirtualFlow軟件在熱管領(lǐng)域的應(yīng)用具有諸多獨特優(yōu)勢。
它具備氣液兩相模型，能夠模擬微納米尺度如空隙尺度的多孔介質(zhì)、微納結(jié)構(gòu)等吸液芯的毛細潤濕和蒸發(fā)過程，預測毛細能力及蒸發(fā)換熱性能。
支持在微通道納米尺度中計算兩相相變，可用于表面凝結(jié)和核態(tài)沸騰的相變過程計算，以及計算在相變過程中的換熱情況。
軟件支持熱限制模型與RPI壁面沸騰模型，并開發(fā)有先進的的壁面冷凝模型，可根據(jù)此對池沸騰、大空間冷凝相變、壁面相變等進行數(shù)值模擬。
在處理熱虹吸問題時，通過模擬蒸發(fā)相變，觸發(fā)熱虹吸效應(yīng)，進而研究熱邊界及固體結(jié)構(gòu)對虹吸過程流量、流速的影響。
展開 
OpenFOAM燃燒建模：reactingFoam與XiFoam ￥16
課程首先講解反應(yīng)流控制基本方程，包括連續(xù)性方程、動量方程、組分輸運方程和能量方程，介紹這些方程在OpenFOAM求解器中的求解順序，以及PIMPLE等壓力-速度耦合算法如何保障反應(yīng)流仿真的數(shù)值穩(wěn)定性。
課程核心為燃燒仿真的實操搭建，講解從零構(gòu)建完整OpenFOAM算例的全流程，包括創(chuàng)建算例結(jié)構(gòu)、劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件及求解器參數(shù)。演示使用blockMesh生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，通過網(wǎng)格梯度加密實現(xiàn)關(guān)鍵區(qū)域精度提升，搭建適配反應(yīng)流問題的仿真計算域。
課程還講解化學反應(yīng)在CFD仿真中的引入方法，包括啟用化學求解器、定義反應(yīng)機理、在仿真中加入組分輸運模型。基于反應(yīng)機理介紹詳細化學模型，說明OpenFOAM在燃燒過程中對化學動力學與組分變化的處理方式。
課程重點覆蓋湍流-化學反應(yīng)相互作用模型，講解湍流對燃燒過程的影響，以及耗散渦概念（EDC）等模型的應(yīng)用方法，同時演示燃燒對溫度、組分濃度、速度場等流動參數(shù)的影響規(guī)律。
除算例搭建與仿真運行外，課程還對求解器源碼進行解析，幫助理解燃燒求解器的內(nèi)部實現(xiàn)邏輯，深入分析reactingFoam、XiFoam等常用反應(yīng)流及預混燃燒求解器的結(jié)構(gòu)與算法，明晰燃燒模型的實現(xiàn)方式及其對仿真結(jié)果的影響。
課程同時講解OpenFOAM并行計算高效運行方法，包括計算域分解方法，實現(xiàn)多處理器并行運算，提升大規(guī)模反應(yīng)流仿真效率。
完成課程學習后，學習者能夠獨立完成OpenFOAM燃燒仿真的搭建、運行與后處理分析，理解反應(yīng)流求解器的核心模型，解讀溫度場、組分分布、反應(yīng)區(qū)域等仿真結(jié)果，該知識可應(yīng)用于能源系統(tǒng)、燃氣輪機、火災模擬、推進系統(tǒng)、化工過程仿真等領(lǐng)域。
展開 4月23-26日 北京 | Fluent燃燒及化學反應(yīng)流計算理論與工程應(yīng)用專題
一、專題目標：
通過理論與工程實例相結(jié)合的方式進行講解，掌握利用Fluent軟件對工程中的組分擴散、化學反應(yīng)、燃燒等物理現(xiàn)象進行建模與仿真計算
二、工程案例：12個工程案例
三、典型問題：組分擴散、體積反應(yīng)、燃燒、表面反應(yīng)、多相反應(yīng)、污染物預測。
四、知 識 點：組分輸運模型、燃燒模型的選擇及參數(shù)設(shè)置、污染物模型參數(shù)設(shè)置。
Ansys Fluent在化學氣相沉積（CVD）技術(shù)中的應(yīng)用
反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖4所示，硅烷和氫氣從進口進入反應(yīng)器，接著通過設(shè)置有1cm寬的5個孔隙進入電離區(qū)域，一部分沉積組分在晶圓表面產(chǎn)生吸附，一部分反應(yīng)物和沉積組分從出口逸出。網(wǎng)格采用ANSYS MESHING進行劃分，網(wǎng)格數(shù)量為10.7萬，由于在擋板附近為速度變化較大區(qū)域，因此采用局部網(wǎng)格加密的方法，如圖5所示。
圖4 反應(yīng)器計算區(qū)域
圖5 反應(yīng)器計算區(qū)域劃分網(wǎng)格
ANSYS FLUNET中邊界條件設(shè)置：進口速度0.07m/s，溫度475K，組分H2:SiH4=9:1（摩爾分數(shù)）；出口為壓力出口邊界。
圖6 邊界條件設(shè)置
根據(jù)計算的Re=2.8e-04，選擇層流模型，化學反應(yīng)選擇有限反應(yīng)速率模型。
圖7 組分輸運模型
宏觀反應(yīng)機理：電離反應(yīng)+體積反應(yīng)
圖8 反應(yīng)機理設(shè)置
反應(yīng)器內(nèi)電場的電子密度分布通過UDF（用戶自定義函數(shù)）加載：
圖9 電子密度分布圖-單位（1/m3）
微觀反應(yīng)機理：由圖3可以看到，宏觀和微觀之間主要進行組分SiH4、H2、SiH3、H的輸運，為減少計算量，采用UDF（用戶自定義函數(shù)）組分源項的方式加載在薄膜中進行計算。
圖10 微觀反應(yīng)中組分源項加載
計算流場分析
圖10、11為SiH4和H2的摩爾分數(shù)云圖，可以看到SiH4進入電離區(qū)域后迅速消耗減少，H2的反應(yīng)比較復雜，H2電離后生成H+，H2減少；而H+又與其他產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成H2，H2增加，因此在電離區(qū)內(nèi)含量較多。
圖11 SiH4的摩爾分數(shù)云圖
圖12 H2的摩爾分數(shù)云圖
非晶硅薄膜的厚度主要取決于沉積組分SiH3和H的沉積量，SiH3和H的摩爾分數(shù)分布云圖如圖12、13所示。
展開 三十、Fluent兩種蒸發(fā)-冷凝模型理論及設(shè)置
如果是組分輸運模型模擬相變問題，且其中一相是氣體，則必須設(shè)置To phase為氣體。
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