电化学组分模型参考

电化学组分模型是可与静电势模型或电动势模型一起使用的可选电化学模型。还可以将电化学组分模型与电动势模型和电化学反应模型配合使用，来模拟考虑了由电化学组分浓度导致的电化学组分通量的电化学表面反应。

可选择专门适用于电化学组分模型的耦合求解器或分离求解器。例如，可利用此功能求解电化学组分之间的耦合方程组，同时仍使用分离法求解电势。

将电化学组分模型与电化学反应模型一起使用时，电化学反应模型会计算组分浓度的电流贡献、电化学组分通量和通量导数。电流将传递到电动势模型，而组分通量和通量导数将传递到电化学组分模型。

表 1. 电化学组分模型参考
理论	请参见电化学组分。
提供方式	[物理连续体] > 模型 > 电化学
节点路径示例	连续体 > 物理 1 > 模型 > 电化学组分模型
要求	空间：任何材料：气体或液体可选模型：电化学
属性	关键属性包括：电化学组分求解器选项。请参见电化学组分模型属性。
激活	物理模型	流体
	模型控制（子节点）	电化学组分分量。请参见电化学组分分量参考。
	初始条件	摩尔浓度。请参见电化学组分初始条件。
	边界输入	壁面电化学组分选项、壁面电化学组分通量导数选项。请参见电化学组分边界设置。
	区域输入	请参见电化学组分区域设置。
	求解器	电化学组分、库仑力。请参见电化学组分求解器和库仑力求解器。
	场函数	请参见电化学组分场函数。

电化学组分模型属性

在电动势模型和静电势模型之间切换时，将自动修改充电组分迁移率量纲和浓度量纲的电化学组分模型属性设置。“输出”窗口将显示修改内容，例如：

电化学组分模型：“充电组分迁移率量纲”已设为“面积/电势时间”

电化学组分模型：“浓度量纲”已设为“数密度”

电化学组分求解器选项

可用于指定电化学组分模型是使用耦合还是分离求解器来求解电化学组分摩尔浓度。在这些选项之间进行切换时，不会保留任何已设置的求解器属性。

默认情况下，电化学组分模型设为使用耦合电化学组分求解器，除非要在 Simcenter STAR-CCM+ v11.04 或更高版本中使用在早期版本的 Simcenter STAR-CCM+ 中保存的模拟文件。在这种情况下，将使用分离求解器，直至另外进行指定。如果修改所选的求解器，则更新求解器属性 — 因为不会在求解器之间传递属性。

对流

在传输方程中，可以从一系列计算网格单元面上的对流项的格式中进行选择。此计算需要 Simcenter STAR-CCM+ 根据环绕网格单元值计算物理量的面值。计算此面值使用的具体方法对数值格式的稳定性和精度具有重要影响。有关选择对流格式的指南，请参见对流通量。

一阶：一阶对流格式。
二阶：二阶对流格式。

二阶梯度

忽略或包括用于扩散的边界二阶梯度和/或网格面上的内部二阶梯度。

开启：默认值。对内部和边界类型的二阶梯度求解。
关闭：不会对任何类型的二阶梯度进行求解。
仅限内部：仅对内部二阶梯度进行求解。
仅限边界：仅对边界二阶梯度进行求解。

电中和选项

指定总体离子电荷密度是否严格限制为零。模拟腐蚀应用时，保留默认选项（比例缩放）。

不强制：“不强制”是使用静电势模型时的默认选项。不强制使用均匀的零离子电荷密度。但是，根据其他参数的设置，总体离子电荷密度可能已等于零。此选项适用于不要求电中和的非腐蚀相关应用。
比例缩放：“比例缩放”是使用电动势模型时的默认选项。此方法通过按比例缩放每个组分的离子电荷密度，确保总体离子电荷密度等于零。如果组分具有相等的电荷数，则比例缩放不会改变总浓度。Simcenter STAR-CCM+ 将检查使用浓度量纲属性设置的浓度分布，如果带电，将发出警告。此选项适用于具有电中和特性的应用，例如腐蚀和蚀刻。请参见 Eqn. (4077)。

传输

定义电化学组分模型如何耦合至其他模型，以及由此如何定义 Simcenter STAR-CCM+ 求解的传输方程。

组分 <> 电势：电化学组分和电势模型之间的通量贡献的物理双向耦合。
电势 > 组分：包括从电势模型到电化学组分模型的漂移通量/迁移贡献的单向耦合。
组分 > 电势：贡献从电化学组分模型到电势模型的单向传输。
- 使用静电势模型时，贡献针对空间电荷密度。
- 使用电动势模型时，贡献针对扩散电流。
无电势耦合：电化学组分模型和电势模型单独发挥作用。

充电组分迁移率量纲

可用于设置充电组分迁移率的量纲。选择电动势模型后，此属性的默认设置将设为面积数量/能量时间，选择静电势模型后，此属性的默认设置将设为面积/电势时间。

面积数量/能量时间：用于以“面积数量/能量时间”量纲或默认 SI 单位指定电化学物质组分的迁移率 $m^{2} k m o l / J s$
由 Eqn. (4080) 和 Eqn. (4092) 中的 $u_{i}$ 表示。
面积/电势时间：用于以“面积/电势时间”量纲或默认 SI 单位 $m^{2} / V s$ ，指定电化学组分分量的迁移率。
由 Eqn. (4092) 中的 $K_{i}$ 表示。

浓度量纲

用于指定如何定义分子/颗粒浓度。选择电动势模型后，此属性的默认设置将设为摩尔浓度，选择静电势模型后，此属性的默认设置将设为数密度。如果将“电中和”属性设为“比例缩放”，则 Simcenter STAR-CCM+ 将检查设置的浓度分布，如果带电，将发出警告。

摩尔浓度：使用摩尔浓度指定分子/颗粒的浓度 $k m o l / m^{3}$
数密度：以 $1 / m^{3}$ 为单位使用实际颗粒数（即摩尔浓度乘以阿佛加德罗常数指定分子/颗粒浓度， $N_{A}$

电化学组分模型初始条件

摩尔浓度: 用于指定在电化学组分模型下指定的每个电化学组分分量的摩尔浓度 $c_{i}$ （针对 Eqn. (4072) 中的组分 $i$ ）的复合值或常数值。

电化学组分模型边界设置

壁面边界

壁面电化学组分选项

通过边界的壁面电化学组分选项，可定义在该边界处发生的与电化学组分有关的情况。

方法	对应的物理值节点
不渗透指定边界处的零通量。	无
指定通量可将值指定为常数或复合组分表。也可以指定物理条件壁面电化学组分通量导数选项。	根据在电化学组分模型上为浓度量纲设置的内容，将显示以下其中一个节点。可将值指定为常数或复合组分表。摩尔浓度通量数密度通量
指定值	根据在电化学组分模型上为浓度量纲设置的内容，将显示以下其中一个节点。可将值指定为常数或复合组分表。摩尔浓度数密度

壁面电化学组分通量导数选项

通过“壁面电化学组分通量导数选项”，可指定壁面处组分

i

的摩尔浓度通量（或数密度通量）对组分

i

的摩尔浓度（或数密度）的导数。浓度通量导数表示：

\frac{d N_{n, s, i}}{d c_{i}}

并且数密度通量导数表示：

\frac{d N_{n, s, i}}{d n_{p}}

其中，

N_{n, s, i}

为壁面处的电化学组分

i

的摩尔浓度通量（或数密度），

c_{i}

为壁面处的电化学组分

i

的摩尔浓度，

n_{p}

为壁面处的数密度。

此导数用于线性化。

当壁面电化学组分选项边界条件设为指定通量时，此选项可用。

方法	对应的物理值节点
无不会计算浓度通量的导数。这是默认选项。	无
指定用于指定用于线性化的浓度通量导数。	浓度通量导数用于将浓度通量导数指定为常数或复合组分表。为了确保设置稳定，确保通量导数有负值。

电化学组分模型区域设置

电化学组分源选项

方法	对应的物理值节点
停用	无
激活用于在 Eqn. (4072) 中提供额外物理来表示比摩尔浓度或数密度。	电化学组分源雅可比矩阵使用此节点可将每个已定义组分的雅可比 $d (S_{c_{i}}) / d (c_{i})$ 指定为标量组分表分布。电化学组分源使用此节点可将每个已定义组分的组分源 $S_{c_{i}}$ 指定为标量组分表分布。所指定的单位取决于电化学组分模型的浓度量纲设置。

电化学组分求解器

耦合电化学组分求解器和分离电化学组分求解器均可独立于电势求解过程来求解电化学组分浓度。

可在电化学组分模型属性内选择要使用的电化学组分求解器的变体。但是，使用大量离子化学反应模型时，仅“耦合”选项可用。

选择电化学组分求解器后，便可通过最恰当的方式求解电化学组分浓度，且不依赖用于求解任何其他因子的方法。例如，使用分离法求解电势，但可选择耦合实施来求解电化学组分浓度。

分离电化学组分求解器的运行速度比耦合电化学组分求解器的运行速度快一些。但是，对于某些问题，尤其是高电流密度下的耗尽情况，耦合求解器将收敛，而分离求解器不会。

耦合电化学组分求解器可以与电化学反应模型或大量离子化学反应模型一起使用。如果耦合求解器不与这些模型一起使用，则运行时间会显著增加 — 这没有任何好处。

由于无法创建或破坏元素，因此 Simcenter STAR-CCM+ 会保证在使用耦合求解器时每种类型的原子守恒。但是，当使用场函数提供源项和边界通量时，分离求解器不能保证元素守恒。使用分离法时，不会使用来自同一牛顿迭代的浓度一致地计算每个电化学组分浓度的源项。因此，当分离法中涉及场函数时，每一牛顿迭代中的元素将不守恒。要保证元素守恒，可使用耦合求解器，或使用分离求解器并运行牛顿法，直到其对于稳态模拟或非稳态模拟中的每个时间步完全收敛。

如有必要，还可以停止模拟，然后在耦合和分离求解器选项之间进行切换。由于耦合电化学组分求解器具有稳定性，因此可使用此求解器启动模拟。模拟开始收敛时，可改为使用分离电化学组分求解器，它运行速度更快。在求解器选项之间切换会移除已定义的所有求解器设置。因此，切换求解器选项时，需要更新求解器设置。

注	对于涉及电化学组分求解器的问题，可尝试在电势求解器上减小亚松弛因子。

由于代数多重网格求解器是基于第一个混合物组分的矩阵分量构建的，因此电化学组分的顺序不同，耦合求解器的收敛也将稍有不同。

耦合电化学组分求解器和分离电化学组分求解器这两种实施都具有相同的属性和专家属性。

亚松弛因子: 为了提升收敛，此属性用于在迭代过程中亚松弛求解的变化。如果残差显示求解发散或不减小，则减小亚松弛因子。
冻结求解器: 开启时，求解器在迭代过程中不更新任何物理量。该选项默认情况下关闭。这是一个调试选项，由于缺少储存，它可能导致不可恢复的错误和错误的求解。有关详细信息，请参见有限体积求解器参考。
冻结重构: 开启时，Simcenter STAR-CCM+ 不会在每次迭代时更新重构梯度，而是使用上一次迭代更新的梯度。激活保留临时储存与此属性结合使用。默认情况下，此属性处于关闭状态。
归零重构: 开启时，求解器在下一次迭代时会将重构梯度设为零。此操作意味着，用于迎风的面值 (Eqn. (905)) 以及用于计算网格单元梯度的面值（Eqn. (917) 和 Eqn. (918)）将变为一阶估计值。默认情况下，此属性处于关闭状态。如果开启此属性之后关闭它，则求解器将在下一次迭代时重新计算梯度。
保留临时储存: 开启时，Simcenter STAR-CCM+ 将保留求解器在迭代期间生成的额外场数据。保留的特定数据取决于求解器，且在后续迭代期间可用作场函数。默认情况下关闭。

库仑力求解器

除了电化学组分和静电势物理模型之外，还可以使用库仑力物理模型来模拟局部离子电荷密度导致的电流体动力。请参见离子组分通量建模。使用库仑力物理模型时，库仑力求解器将变为可用。模拟离子风模拟或等离子体执行器时，可通过“库仑力求解器”节点，指定可调节的亚松弛因子，以帮助提高稳定性。请参见库仑力公式。

亚松弛因子: 为了提升收敛，此属性用于在迭代过程中亚松弛求解的变化。如果残差显示求解发散或不减小，则减小亚松弛因子。
冻结求解器: 开启时，求解器在迭代过程中不更新任何物理量。该选项默认情况下关闭。这是一个调试选项，由于缺少储存，它可能导致不可恢复的错误和错误的求解。有关详细信息，请参见有限体积求解器参考。

电化学组分场函数

Charge Number of [Species]([组分] 的电荷数): 组分 $i$ 的电荷数 $z_{i}$ 。可为每个组分提供单独的标量场函数。
Diffusion Current Density(扩散电流密度): Eqn. (4077) 中的第二项。
Ionic Charge Density(离子电荷密度): 离子空间电荷密度 $ρ_{i o n}$ 。标量函数。
Molar Concentration of [Species]([组分] 的摩尔浓度): 组分 $i$ 的摩尔浓度 $c_{i}$ ，以 $k m o l / m^{3}$ 为单位。可为每个组分提供单独的标量场函数。
Molecular Diffusivity of [Species]([组分] 的分子扩散率): 组分 $i$ 的扩散率 $D_{i}$ 。可为每个组分提供单独的标量场函数。
Number Density of [Species]([组分] 的数密度): 显示颗粒数，以 $1 / m^{3}$ 为单位。通过将摩尔浓度乘以阿佛加德罗常数 $N_{A}$ 进行计算。可为每个组分提供单独的标量场函数。

使用电化学组分模型且激活临时储存时，以下场函数可用。使用场函数查看这些物理量，可帮助诊断流体边界处是否有故障（即预期不会出现大梯度）。请参见打开临时储存。

Molar Concentration Residual(摩尔浓度残差): 残差指离散化方程中的失衡。标量场函数。
Molar Concentration Correction(摩尔浓度校正): 向上一迭代的求解添加校正以获得更新求解。标量函数。
Molar Concentration Gradient(摩尔浓度梯度): 梯度用于计算扩散率和应变率等值。矢量函数。
Molar Concentration Recon(摩尔浓度重构): 重构梯度用于向面插入网格单元值。矢量函数。
Molar Concentration Ap(摩尔浓度 Ap): Ap 系数是线性系统矩阵中的对角系数。矢量函数。