反应通道耦合

反应通道耦合功能用于将 3D Simcenter STAR-CCM+ 模拟与使用 CVODE 求解器的 1D 塞流反应器耦合。

反应通道塞流反应器公式

反应通道中的流体使用一维塞流反应器 (PFR) 来模拟。在反应通道内的任何轴点处,各流体变量径向均匀。对于给定的反应 k ,热和组分的轴向扩散一致,因此可以忽略。PFR 中组分和温度的演变表示如下:

  • 组分:
    1. EQUATION_DISPLAY
    dYkdt=ω˙kρ
    (3810)
    其中,Yk 为反应 k 中的所有组分的质量分数,ρ 为密度。
  • 温度:
    2. EQUATION_DISPLAY
    dTdt=kω˙Hk+Q˙CρCp
    (3811)

其中,Hk 为反应 k 的总焓,Cp 为比热。在反应通道中,使用以下公式确定对流热传递源 Q˙C

3. EQUATION_DISPLAY
Q˙C=hf(TWT)
(3812)

TW,反应通道壁面温度,为已求解的反应通道壁面上的 3D 外部流体温度场的平均值,T 为反应通道总体温度。

反应通道的对流热传递系数 hf 根据指定的热传递相关类型确定:
  • 对于使用 Gnielinski 热传递相关的开管:
    4. EQUATION_DISPLAY
    hf=NuKCDC
    (3813)

    Nu 为努赛尔数,根据充分发展的管道流经验相关性确定:

    • 对于 Re < 3000 的层流:
      5. EQUATION_DISPLAY
      Nu=3.66
      (3814)
    • 对于 Re > 3000 的湍流,使用湍流的 Gnielinski 相关确定 Nu
      6. EQUATION_DISPLAY
      Nu=(f/2)(Re1000)Pr1+12.7(f/2)(Pr2/31)
      (3815)

    其中,Pr为普朗特数,由以下公式确定:

    7. EQUATION_DISPLAY
    Pr=μCpKc
    (3816)
    f为范宁摩擦因子。
  • 对于使用 Leva/Grummer 热传递相关的填充层管道:
    8. EQUATION_DISPLAY
    hf=fhtg0.813KC2rinexp(3Dprin)Re0.9
    (3817)
    其中,Dp 为等效填充层颗粒直径,fhtg 为定义的热传递因子,且
    9. EQUATION_DISPLAY
    Re=DpGsμ
    (3818)
  • 对于使用 Beek 热传递相关的填充层管道:
    10. EQUATION_DISPLAY
    hf=fhtgKCDp(2.58Re1/3Pr1/3+0.094Re4/5Pr0.4)
    (3819)

    其中,fhtg 为定义的热传递因子,普朗特数 PrEqn. (3816) 确定。

  • 对于使用 De Wasch/Froment 热传递相关的填充层管道:
    11. EQUATION_DISPLAY
    hf=KCDp(hf0+0.033PrRe)
    (3820)
对于平滑的圆柱反应通道,管道摩擦因子 f 根据指定的摩擦因子相关类型确定:
  • 对于使用 Blasius 摩擦因子相关的开管:
    12. EQUATION_DISPLAY
    f=0.0791Re0.25
    (3821)
  • 对于使用 Filonenko 摩擦因子相关的开管:
    13. EQUATION_DISPLAY
    f=0.25(0.79log(Re)1.64)2
    (3822)
  • 对于使用 Hicks 摩擦因子相关的填充层管道:
    14. EQUATION_DISPLAY
    f=6.8(1χ)1.2χ3Re0.2
    (3823)
  • 对于使用 Ergun 摩擦因子相关的填充层管道:
    15. EQUATION_DISPLAY
    f=(1χ)χ[1.75+150(1χ)Re]
    (3824)

PFR 中的方程使用刚性 CVODE 常微分方程 (ODE) 求解器求解,时间步基于反应通道的网格尺寸和局部反应通道速度。

压降计算为:
16. EQUATION_DISPLAY
(ρv2+p)t=ρv3fD
(3825)
其中,f 为摩擦因子,D 为系统的特征长度。系统的特征长度为以下两者之一:
  • 对于开管,为水力半径 DH2
  • 对于填充层管道,为填充层代表颗粒直径

外部流体 STAR-CCM+ 公式

外部流体使用三维 Simcenter STAR-CCM+ 模拟,可以定义为反应或非反应。只要几何中表示反应通道的几何通道保持非网格化状态,就可划分三维外部流体几何的网格。

反应通道壁面处的热通量边界条件 Q˙3D 计算为外部流体从反应通道获得的热的亚松弛。此热通量使用以下公式确定:

17. EQUATION_DISPLAY
Q˙3D=aQ˙C(1a)Q˙C0
(3826)

当模拟的求解收敛时,来自反应通道的热通量等于来自外部流体的通量增益。