Fluent-表面化学反应模拟.docx

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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：
l 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。
l 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。
l 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。
l 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。
l 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，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。
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Species Transport组元运输一项。Turbulence-Chemistry Interaction（湍流与化学反应相干模型）中也只有一项。

在Models中选中Species Transport单选按钮，在Reactions中选中Volumetric和Wall surface复选框，在Wall Surface Reaction Options中选中Mass Deposition Source复选框，在Options中选择Inlet Diffusion, Full Multicomponent Diffusion， Thermal Diffusion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chemical formula处输入ash3；比热容cp选择kinetic-theory；导热系数thermal conductivity选择kinetic-theory；粘度viscosity选择kinetic-theory；分子量molecular weight选择constant为77.95；标准状态焓standard state enthalpy为0；标准状态熵standard state entropy为130579.1；基准温度reference temperature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-J characteristic Length特征长度输入4.145 （埃米）；L-J Energy Parameter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
Ga
镓（固）
As
砷（固）
Name
tmg
ch3g
hydro-gen
ga_s
as_s
ga
as
Chemical Formula
gach33
ch3
h2
ga_s
as_s
ga
as
CP(specific heat)
kinetic-theory
kinetic-theory
kinetic-theory
520.64
520.64
1006.43
1006.43
Thermal conductivity
kinetic-theory
kinetic-theory
kinetic-theory
0.0158
0.0158
kinetic-theory
kinetic-theory
Viscosity
kinetic-theory
kinetic-theory
kinetic-theory
2.125e-05
2.125e-05
kinetic-theory
kinetic-theory
Molecular weight
114.83
15
2.02
69.72
74.92
69.72
74.92
Standard state enthalpy
0
2.044e+07
0
3117.71
3117.71
0
0
Standard state entropy
130579.1
257367.6
130579.1
154719.3
154719.3
0
0
reference temperature
298.15
298.15
298.15
29815
298.15
298.15
298.15
L-J characteristic Length
5.68
3.758
2.827
-
-
0
0
L-J Energy Parameter
398
148.6
59.7
-
-
0
0
Degree of freedom
0
0
5
-
-
-
-

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mixture species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 Material Type（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 Mixture Material（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 Mixture Species（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 Available Materials（可用材料）， Selected Species（已选组元）， Selected Site Species（已选吸收组元）和 Seleted Solid Species（已选固体组元）。
Available Materials（可用材料）是指材料数据库中可供选用的材料； Selected Species （已选组元）是指当前混合物中已经选中的组元； Selected Site Species（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； Selected Solid Species（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 Selected Species（已选组元）的内容。在 Materials（材料）面板中，点击 Database...（数据库）按钮打开 Database Materials（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 Material Type（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 Selected Species（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mixture species旁单击edit按钮弹出species（组分）对话框，调整各类型组分
Selected Species
Selected Site Species
Seleted Solid Species
ash3
ga_s
ga
ga(ch3)3
as_s
as
ch3

h2

注：这里需要设置好selected species的排列顺序，在后面边界条件设置中 velocity inlet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 Species Modal（组元模型）面板中Turbulence-Chemistry Interaction（湍流－化学反应相干）模型的设置——如果设置的是Laminar Finite-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 Total Number of Reactions（总的反应数量）中设定总的反应数量；
2）在 Reaction Name（反应名称）中指定反应名称；
3）在 Reaction ID（反应编号）中指定每个反应的编号；
4）在 Reaction Type（反应类型）中指定反应类型，即指定反应类型为 Volumetric（体积）、 Wall Surface（物面）或 Particle Surface（颗粒表面）；
5）在 Number of Reactants（反应物数量）和 Number of Products（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 Rate Exponent（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 Species Modal（组元模型）面板的 Turbulence-Chemistry Interaction（湍流－反应相干模型）中选择的是 laminar finite-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 Arrhenius Rate（ 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 Include Backward Reaction（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 Mixing Rate（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，Number of Reactants中输入2，化学反应输入数据如下表。
参数
反应一
反应二
Reaction name
gallium-dep
Arsenic-dep
Reaction ID
1
2
Reaction type
Wall surface
Wall surface
Number of reactants
2
2
Species
ash3，ga_s
gach33，as_s
Stoich. Coefficient
ash3=1，ga_s=1
gach33=1，as_s=1
Rate exponent
ash3=1，ga_s=1
gach33=1，as_s=1
Arrhenius Rate
PEF=1e+06，AE=0，TE=0.5
PEF=1e+12，AE=0，TE=0.5
Number of products
3
3
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
Rate exponent
as_s=0，h2=0
ga_s=0，ch3=0
PEF=PreExponential Factor，AE=Activation Energy，TE=Temperature Exponent

反应机制设定
FLUENT 中提到的“反应机制（ reaction mechanisms）”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 Reaction Mechanisms（反应机制）面板，如图 7-14 所示。具体步骤如下：
1、在 Number of Mechanisms反应机制数量）中设定反应的数量。
2、设定 Mechanisms ID（反应机制编号）。
3、设定 Name（名称）。
4、在 Reaction Type（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 Wall Surface（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 Number of Sites（吸收反应数量）、 Site Name（吸收反应名称）、 Site Density（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 Initial Site Coverage （初始吸收覆盖率）等参数。

本例中，在mechanism旁单击Edit按钮弹出，reaction mechanisms对话框。在Number of Mechanisms 中输入1，Name中输入gaas-ald，Reaction Type选择Wall Surface，Reactions中选择gallium-dep和arsenic-dep，Number of Sites中输入1，Site Density中输入1e-08。
单击define 按钮，在Site parameters对话框，Total Number of Site Species中输入2，Initial Site Coverage中ga_s输入0.7，as_s输入0.3。单击Apply确认。

在导热性thermal conductivity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 Thermal Conductivity（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。相关内容请参见 UDF 相关章节。
8 边界条件设定
速度入口设定
Velocity magnitude 为0.02189；thermal中temperature为293；species中Species Mass Fractions（组元质量浓度）ash3为0.4，gach33为0.15，ch3为0。

压力出口设置
保持默认

壁面设置wall-1
Thermal conditions中选择temperature单选按钮，填入473

壁面设置wall-2
Thermal conditions中选择temperature单选按钮，填入343

壁面设置wall-4

Wall motion中选择moving wall单选按钮，在motion中选择absolute和rotational按钮，speed输入80。Thermal conditions中选择temperature单选按钮，填入1023。Species选项卡中保持默认。

壁面设置wall-5
Wall motion中选择moving wall单选按钮，在motion中选择absolute和rotational按钮，speed输入80。Thermal conditions中选择temperature单选按钮，填入720。Species选项卡中保持默认。

壁面设置wall-6
Thermal conditions中选择temperature单选按钮，填入303

9 重新设置model
Options中取消选择inlet diffusion，点击OK确认。
如果入口质量很小的话就应该关掉入口扩散选项的，否则会导致质量损失。

10 求解控制
Solution methods保持默认

Solution controls保持默认

11 求解过程监视
保持默认

12 初始化

13 计算求解