反应通道协同仿真参考

反应通道协同仿真发生在 Simcenter STAR-CCM+ 中的 3D 域与使用 1D 塞流反应器 (PFR) 的反应通道之间。

可以使用 Simcenter STAR-CCM+ 中的反应通道协同仿真模型，对具有长而薄通道的管状热交换器中的反应流体模拟进行求解。

此功能可用于模拟化学过程，如蒸汽重整发生在由燃烧加热的燃烧室包围的窄管内。

表 1. 反应通道模型参考
理论	请参见反应通道耦合。
提供方式	[物理连续体] > 模型 > 协同仿真模型
节点路径示例	连续体 > 物理 1 > 模型 > 反应通道
要求	以下模型选择组合中的一个：
	当环绕反应通道的流体中发生反应时：材料：多组分气体或多组分液体反应期：反应反应流模型：其他燃烧/湍流模型（根据需要）。流体：任何空间：三维时间：定常焓：任何可选模型：协同仿真		当环绕反应通道的流体内无反应时：材料：多成分气体、多成分液体、气体或液体（选择“多成分气体”或“多成分液体”时：反应期：非反应）流体：任何空间：三维时间：定常（状态方程：任何）能量：任何可选模型：协同仿真
激活	物理模型	反应通道耦合模型
	模型控制	选择反应通道模型时，外部链接 > 反应通道协同仿真节点将添加到模拟对象树。反应通道协同仿真节点包四个子节点，用于定义反应通道：模型、区域、条件和值。
	报告	燃烧 > 反应通道出口数量。请参见报告。
	参考值	最小允许温度、最大允许温度。请参见参考值。
	边界输入	外部程序耦合指定。请参见边界设置。

模型

链接模型可配置与合作伙伴应用程序或文件的连接。根据 Simcenter STAR-CCM+ 通过此链接连接到的应用程序或文件的不同，链接图标将有所不同。链接模型必须适用于在物理连续体中选择的协同仿真或文件导出模型。

对于反应通道协同仿真，反应通道模型已选择且无法修改。

区域

“区域”节点包含每个所指定区域的[区域 n] 节点。每个[区域 n] 节点包含两个额外子节点，可在其中指定该特定区域的条件和值。

区域 > [区域 n] > 条件

耦合模型零部件

边界: 显示一个只读值，该值包含为该反应通道区域指定的边界。
区域: 显示一个只读值，该值包含为该反应通道区域指定的区域。

状态方程 (EOS) 选项

状态方程 (EOS) 类型

EOS 类型	对应值节点
理想气体反应通道内的流体遵循理想气体定律。此选项用于对充气反应通道建模。
常数反应通道中的混合物密度计算为单个组分密度的质量分数加权和（指定为常数）。此选项用于对充液反应通道建模。	组分密度可用于定义流体中的每个组分的恒密度值。默认情况下，如果某个组分包含在材料数据库中，则恒密度将设为材料数据库的密度值。

EOS 类型

对应值节点

理想气体

反应通道内的流体遵循理想气体定律。此选项用于对充气反应通道建模。

常数

反应通道中的混合物密度计算为单个组分密度的质量分数加权和（指定为常数）。

此选项用于对充液反应通道建模。

组分密度

可用于定义流体中的每个组分的恒密度值。默认情况下，如果某个组分包含在材料数据库中，则恒密度将设为材料数据库的密度值。

热传递系数相关

仅当反应通道入口类型设为指定入口且反应通道类型设为填充层时可用。

相关类型

可用于指定热传递系数的相关类型：

Leva/Grummer
使用 Eqn. (3817) 确定热传递系数
Beek
使用 Eqn. (3819) 确定热传递系数
DeWasch/Froment
使用 Eqn. (3820) 确定热传递系数

管道摩擦相关

仅当反应通道入口类型设为指定入口时可用。

相关类型

可用于指定管道摩擦系数的相关类型

Blasius（管道）
使用 Eqn. (3821) 确定管道摩擦系数
Filonenko（管道）
使用 Eqn. (3822) 确定管道摩擦系数
Ergun（填充层）
使用 Eqn. (3824)（适用于具有低 $\frac{Re}{1 - χ}$ 值的模拟）确定管道摩擦系数。
Hicks（填充层）
使用 Eqn. (3823)（适用于具有高 $\frac{Re}{1 - χ}$ 值的模拟）确定管道摩擦系数。
Ergun/Hicks（填充层）
当 $\frac{Re}{1 - χ} < 300$ 时，使用 Ergun 相关 (Eqn. (3824)) 确定管道摩擦系数，当 $\frac{Re}{1 - χ} > 500$ 时，使用 Hicks 相关 (Eqn. (3823)) 确定该系数，当介于二者之间时，使用线性插值确定该系数。

反应通道面积选项

仅当反应通道入口类型设为指定入口时可用。

用于指定反应通道区域中某几何通道的横截面面积（反应通道区域中的每个几何通道预期具有等效尺寸）。

反应通道面积选项

设置用于定义通道横截面面积的方法，用于计算反应通道的对流传热系数（Eqn. (3813) 中的

h_{f}

）的直径

D_{C}

。

常数
用于将反应通道面积指定为常数值。
表格
添加值 > 面积节点，可用于使用导入的表格数据将通道横截面面积指定为通道距离的函数。

反应通道热传递系数选项

仅当反应通道入口类型设为指定入口时可用。

反应通道热传递系数选项

可用于指定用于确定热传递系数

h_{f}

的方法，该系数用于确定 Eqn. (3812) 中的对流热传递源

{\dot{Q}}_{C}

。

常数
添加值 > 热传递系数节点，以用于将热传递系数 $h_{f}$ 指定为常数组分表值。
均匀
可用于通过直接取自反应通道入口值的值指定热传递系数。
非均匀
使用来自每个轴点的数据确定热传递系数。
表格
添加值 > 热传递系数节点，以便使用可导入的表格数据指定热传递系数。

反应通道入口类型

入口类型

指定入口
可用于指定反应通道的哪些边界是入口边界。入口和出口边界未连接。
重新进入
通过允许 Simcenter STAR-CCM+ 通过虚拟 U 形弯管考虑合型通道，模拟从一个反应通道到另一个反应通道的非中断流。提供值 > 重新进入边界，用于指定并发边界。还提供方向属性（在值 > 壁面离散化节点下），用于指定每个区域中的通道方向。

反应通道入口粘度选项

仅当反应通道入口类型设为指定入口时可用。

选项

可用于指定如何确定反应通道入口处进入反应通道的组分的粘度：

μ

常数
添加值 > 入口粘度节点，以用于设置入口处的气体粘度值。
均匀
可用于通过直接取自反应通道入口值的值指定入口处的气体粘度。

反应通道管道摩擦因子选项

仅当反应通道入口类型设为指定入口时可用。

选项

可用于指定管道摩擦的乘数

f

，以便针对湍流情况计算努赛尔数 Eqn. (3815)。它还用于计算 Eqn. (3825) 中的压降。

常数
可用于为值 > 管道摩擦因子节点指定常数值。
表格
可用于通过可导入的表格数据指定值 > 管道摩擦因子。

反应通道类型

仅当反应通道入口类型设为指定入口时可用。

相关类型

可用于指定反应通道的相关类型：

管道
将管道指定为空反应通道 – 除自身包含的气体外，其中不包含任何材料。
填充层
将管道指定为固定层/填充层反应通道。此选项适用于对如蒸汽裂化和甲烷蒸汽重整等应用建模。

反应通道壁面温度选项

仅当反应通道入口类型设为指定入口时可用。

选项

可用于指定如何确定壁面边界处的反应通道壁面温度

T_{W}

(Eqn. (3812))：

均匀
使用整个反应通道区域中所有轴点的平均数据确定温度。
非均匀
使用整个反应通道区域中每个轴点的数据确定温度。

导热率/动力粘度方法

导热率/动力粘度方法

运动理论
常数

区域 > [区域 n] > 值

可以为每个反应通道区域指定以下值：

组分动力粘度

可在导热率/动力粘度方法设为恒定时指定。

用于指定进入反应通道入口的组分的恒定动力粘度

μ

（在 Eqn. (3816) 中）。

组分导热率

可在导热率/动力粘度方法设为恒定时指定。

用于指定进入反应通道入口的组分的恒定导热率。

面积

用于使用以下选项指定反应通道面积：

常数值（当反应通道面积选项设为常数时）
表格数据（当反应通道面积选项设为表格时）。
注如果使用其他重新进入区域，请确保表格数据覆盖所有通道的总长。

可使用此值计算通道直径

D_{C}

，以用于确定

h_{f}

[eqn link]Eqn. (3813)。

入口质量分数

可用于指定进入反应通道的组分的初始质量分数分布。

入口压力

可用于指定反应通道入口处的压力。

入口温度

可用于指定反应通道总体温度。

T

入口速度

可用于指定进入反应通道入口的组分的速度。

填充层热传递因子

当反应通道相关类型设为填充层时可用。可用于指定热传递因子

f_{h t g}

，以便计算 Eqn. (3817) 和 Eqn. (3819) 中填充层反应通道的热传递相关。

填充层颗粒直径

当反应通道相关类型设为填充层时可用。可用于指定等效填充层颗粒直径

D_{p}

，以便计算 Eqn. (3817) 和 Eqn. (3819) 中填充层反应通道的热传递相关。

填充层孔隙率

当反应通道相关类型设为填充层时可用。可用于指定填充层反应通道中材料的孔隙率

χ

。

管道摩擦因子

可将管道摩擦因子指定为：

f

常数值（当反应通道管道摩擦因子设为常数时）。
表格数据（当反应通道管道摩擦因子设为表格时）。

可使用此值针对湍流情况确定努赛尔数（在 Eqn. (3815) 中），以便计算 Eqn. (3813) 中的对流热传递系数 $h_{f}$ 。它还用于计算 Eqn. (3825) 中的压降。

管道长度

可用于指定反应通道区域中某几何通道的长度。

重新进入边界

当反应通道区域的反应通道入口类型条件的入口类型设为重新进入时可用。

列出重新进入边界，即：列出将从出口边界接收来流的边界。为每个重新进入边界指定出口边界。

确保反应通道已使用壁面方向值节点的方向属性正确定向。

求解器设置

可用于为区域设置反应通道求解器设置。

ODE 求解器绝对容差
ODE 求解器相对容差

亚松弛因子

可用于设置亚松弛因子

a

，以控制新计算的求解取代旧求解的范围。

壁面离散化

Simcenter STAR-CCM+ 会沿采用指定壁面方向的反应通道长度方向按此距离间隔接收不同温度或热通量值的梯度。

壁面方向

用于设置反应通道中的流向，这在模拟从反应通道的一个区域重新进入另一个区域时非常重要。

条件

反应通道组分

PFR 组分（只读）: 可用于查看反应通道的此机制中涉及的所有组分 — 反应物和产物。

值

耦合策略

步骤后耦合: 指定时间步，在此之后数据从塞流反应器 (PFR) 传输到 Simcenter STAR-CCM+。将数据传输延迟到指定时间步可在数据发送回 PFR 之前使求解器达到稳定水平，同时接收来自 PFR 的数据。
耦合频率: 指定每次将数据从 PFR 传输到 Simcenter STAR-CCM+ 的时间步间隔。

化学定义


节点	描述/属性
化学定义	提供右键单击选项以导入化学定义（Chemkin 格式）或删除化学定义。属性：材料数据库路径和组分数（均只读）。
反应系统属性
组分反应源	属性：方法 - 内部或用户自定义
内部	Simcenter STAR-CCM+ 根据一组内部标准 Chemkin 格式反应来定义反应。
用户自定义	可使用用户编码定义反应 - 适用于非标准反应类型。属性：用户函数 - 用户编码设置后，wdot 选项（用户代码中的函数名称）变为可用。有关反应通道的用户编码示例，请参见教程：反应通道：蒸汽甲烷重整。
User-Defined Species Sources Specification(用户自定义的组分源指定)	属性：方法 - 计算组分源或修改内部组分源
计算组分源	属性：内部反应能量源 - 激活后，根据用户计算的组分反应源在内部计算恒压反应器的反应能量源。
修改内部组分源	现有的内部组分源被修改。
反应	提供右键单击选项以创建新反应。导入化学定义/定义用户编码时，此节点将填入相应的反应。

报告

反应通道出口数量

单位: 选定物理量的单位。
反应通道: 报告在选定反应通道的出口上运行。
物理量: 在出口处报告的物理量，如温度、速度、热通量或特定组分。

参考值

最小允许温度

连续体中任意位置允许的最小温度值。

能量模型（耦合能量、耦合固体能量、分离固体能量、分离流体焓、分离流体温度）将限制温度校正，使校正后的值不低于此最小值。如果超过，则输出窗口中将显示一条消息。

最大允许温度

连续体中任意位置允许的最大温度值。

能量模型（耦合能量、耦合固体能量、分离固体能量、分离流体焓、分离流体温度）将限制温度校正，使校正后的值不超过此最大值。如果超过，则输出窗口中将显示一条消息。

边界设置

域边界

外部程序耦合指定: 可用于将边界分配给协同仿真区域以进行耦合。协同仿真期间，Simcenter STAR-CCM+ 边界将根据协同仿真区域指定在合作伙伴仿真中与对应的耦合表面交换数据。