大量离子化学反应建模

使用 Simcenter STAR-CCM+，可以对涉及电解质总流体体积中的电化学组分的化学反应建模。目前，提供了对平衡反应建模的功能。

按照此过程对流体体积中的批量化学反应建模。

注当将电化学组分模型与电势模型耦合时，需要使用双精度版本的 Simcenter STAR-CCM+ 对电化学组分的传输建模。
  1. 设置物理连续体。
    1. 对于表示电解质的物理连续体，选择以下模型：
      注确保已激活自动选择推荐模型。
      组合框 模型
      空间 选择一个
      时间 选择一个
      材料 液体
      可选模型 电化学
      电化学 电化学组分
      启用模型

      电磁（自动选择）

      电动势（自动选择）

      反应

      梯度（自动选择）

      可选模型

      		 大量离子化学反应
      流体 分离流
      状态方程

      选择一个

      （恒密度是温度变化非常小的液体的最合适选择）
      粘滞态 选择一个
    2. 要包括电化学表面反应建模，从可选模型组合框中选择电化学反应模型。有关电化学表面反应建模的详细信息，请参见电化学表面反应建模。
    3. 选择物理连续体所需的任何其他可选模型。
      • 如果要在不求解额外传输方程的情况下设置固定温度，可选择分离流体等温模型。
      • 要考虑由于电化学反应产生的温度变化，可选择电化学反应加热模型。
      • 如果未选择温度模型，而选择了电化学组分模型，则电化学组分模型使用 293.15K 固定温度运行。
    4. 单击关闭。
  2. 设置所需的任何模型属性。具体是，选择模型 > 大量离子化学反应节点并指定所需的属性。请参见大量离子化学反应模型属性。
    使用大量离子化学反应模型时，唯一可用于电化学组分模型属性电化学组分求解器选项的选项是耦合。电化学组分求解器选项“分离”不可用于大量离子化学反应模型。“耦合”设置可确保在求解总体积中的电化学组分浓度时获得最佳结果。
  3. 定义材料组分。
    请参见：

    如果为大量离子化学反应中的任何混合物组分指定了比率指数，则该比率指数不用于计算平衡反应，而是采用 Eqn. (4175) 中的化学计量系数 vi 来计算平衡反应源项。如果为比率指数输入了非零值，则在初始化时比率指数归零，并在 Simcenter STAR-CCM+ 中显示一条消息，指出未使用比率指数。

指定化学反应组分分量。
  1. 右键单击电化学组分 > 电化学组分分量节点，然后选择选择混合物组分。
  2. 选择表示批量化学反应中的反应物和产物的所有电化学组分。如果找不到复杂电化学组分分量，则可以：
    • 关闭对话框，将电化学组分添加到数据库，然后重新打开选择混合物组分对话框，并选择组分。请参见修改材料数据库的副本。
    • 选择一个类似的电化学组分分量，并修改其材料属性以更改原子的电荷、类型和数量。
  3. 单击应用，然后单击关闭。
  4. 要修改电化学组分分量的成分或属性，展开电化学组分分量 > [电化学组分分量] 节点，然后根据需要编辑材料属性。请参见[电化学组分 — 材料属性和方法]。
定义总体相中出现的反应。请参见定义化学反应。
  1. 右键单击 [连续体] > 模型 > 反应 > 反应节点，然后选择新建反应。
    1. 定义反应物和产物，确保单元的电荷和比例平衡。
      可以选择电化学组分分量和液体组分作为每个反应中的反应物和产物。尽管液体组分的浓度用来计算平衡常数，但是假设这些值是常数，并且没有将任何源项添加到液体组分。
      由于平衡反应作为方程的耦合集求解，每个反应必须具备化学计量系数的线性独立集。例如，以下反应彼此独立：

      A⁢+B⁢→C

      B⁢+C⁢→D

      但是，如果还添加以下平衡反应：

      A⁢+2B⁢→D

      此平衡反应是之前的两个反应的总和，因此与之前的两个反应线性相关。在 Simcenter STAR-CCM+ 中，如果平衡反应具有化学计量系数的线性相关集，初始化时会发生输入错误。

    2. 展开反应 > [反应] > 属性 > 平衡常数节点。
    3. 选择平衡常数 > Keq 平衡常数节点并指定平衡常数。
      Keq 平衡常数 Eqn. (4176) 的维度会随着反应物和产物数量变化。因此，平衡常数单位系统属性可用于使用 (kmol, m, s, K) 或 (mol, cm, s, K) 单位指定 Keq 平衡常数值。
  2. 指定材料属性。
    1. 展开模型 > [材料] > 材料属性节点。
    2. 选择导电率节点，然后将方法设为电化学组分。
    3. 设置所需的任何其他材料属性。
  3. 定义摩尔浓度的初始条件。
    对于具有零浓度但平衡反应中涉及的电化学组分分量，设置低摩尔浓度，如 1E-20 kmol/m³。
  4. 要定义电势的初始条件，执行以下某一操作：
    • 如果要手动指定电势，选择 [物理连续体] > 初始条件，然后设置电势的值。

      Simcenter STAR-CCM+ 将在所有位置使用为电势初始条件设置的值。

    • 如果要让 Simcenter STAR-CCM+ 自动初始化电势，选择求解器 > 电势 > 专家初始化节点，然后将方法设为预求解。运行电势预求解器之前，Simcenter STAR-CCM+ 使用基于部件或基于区域的方法初始化电势 - 具体取决于设置。有关更多信息，请参见专家初始化。
  5. 根据模拟需要，定义边界和交界面处的电化学组分浓度。对于壁面边界，如果要直接设置浓度，需要将壁面电化学组分选项设为指定值。
    总体反应需要边界上的平衡条件。由于非平衡浓度分布对求解产生不利影响，Simcenter STAR-CCM+ 会自动根据指定的输入浓度计算平衡分布。用户无需自己预先计算平衡浓度；在每次迭代中，Simcenter STAR-CCM+ 会将其自身计算的浓度应用于边界。这些计算浓度保证原有分布中指定的电荷和元素成分守恒。
    • 避免参与电化学反应的任何组分出现零摩尔浓度。相反，设置一个非常小的值（例如 1E-20 kmol/m^3）来替代零摩尔浓度。
  6. 定义区域类型。
    可以指定电解质连续体的流体或多孔区域。但是，当使用电化学组分模型时，不允许采用多孔挡板交界面。
  7. 指定任何所需的求解器设置。
  8. 设置停止条件。
  9. 创建场景和绘图，以可视化求解。
    例如，可以在标量场景中可视化以下场函数，或者在 x-y 绘图上绘制它们：
    • 大量离子生成率
    • 电化学组分停留时间
    • 特定电化学组分的充电组分迁移率
    • 电流密度
    • 电势
    • 特定电化学组分的迁移通量
    • 特定电化学组分的摩尔浓度
    • 特定电化学组分的数密度
    • 特定电化学组分的分子扩散率
  10. 运行模拟。