相间

有许多应用涉及到传输反应颗粒，如煅烧和焦炭氧化。可以使用拉格朗日多相流模型、多相流模型或液膜模型来模拟相间反应的过程。

下图说明了组分间相间和相内反应之间的差异。

  • 相内反应发生于相同相的原子/分子之间。
  • 相间反应发生于不同相间的交界面处不同相的原子/分子之间。

拉格朗日多相相间反应

可以使用某个拉格朗日多相流模型来模拟颗粒（液体或固体）的反应过程。使用双向耦合模型，颗粒（液体或固体）可与连续相相互作用。

模拟煤或生物质燃烧器等应用时，可以使用拉格朗日颗粒模型对穿过流体的小固体颗粒进行模拟。较大的颗粒簇作为离散元方法 (DEM) 颗粒进行模拟。Simcenter STAR-CCM+ 还提供了颗粒孔隙率模型，可用于指定固体颗粒由于反应而收缩时所用的因子。

颗粒组分可以在气相中脱挥或与材料发生反应，从而在气相、液相或固相中形成产物。

要对反应颗粒的传输过程建模，拉格朗日相中需要材料颗粒模型。材料颗粒具有质量和体积，遵守质量和动量的物理守恒定律，并假设在内部为同质，并且没有内部运动。所选的材料模型类型会影响可用的质量传输模型类型：

  • 选中“多组分颗粒”时，可以选择质量传递。
    然后，可以对以下类型的颗粒反应进行建模（同时或单独使用这些模型）：
    • 颗粒反应
    • 颗粒脱挥
  • 选中“多组分煤”时，可以选择煤燃烧。可以使用煤燃烧模型对煤炉和气化进行模拟。
颗粒反应
可以使用颗粒反应模型对各种颗粒反应（例如，焦炭氧化、生物质颗粒氧化和氧化铁还原）进行模拟。可以模拟固体颗粒或液滴之间的多种反应，这些颗粒通过与气相或液相组分起反应而形成固相、液相和/或气相产物。
颗粒脱挥
颗粒脱挥模型可以模拟各种颗粒质量传递过程，例如，气化、升华、相变和生物质/煤脱挥。颗粒脱挥是一个气化过程，期间一个或多个固体或液体颗粒转化为挥发分和/或残留物。
煤燃烧
煤是全球范围内用于发电的一种重要燃料。先将煤压成细粉，然后再吹到高温炉的燃烧室中。
Simcenter STAR-CCM+ 中的煤燃烧模型包含若干预定义的组分和反应，专门用于模拟煤燃烧。可以使用此模型对煤颗粒经过此类熔炉时的传输、气化和燃烧进行模拟。此模型也可用于模拟煤燃料氮氧化物的排放。
煤是一种由有机物和无机物（也可以是水分）组成的复合材料。假定煤颗粒最初含有水分，因此适合单组分蒸发处理。此层蒸发的驱动力是与液-气系统平衡的偏差。在煤燃烧中，水分蒸发通常受热传递限制并迅速发生。脱挥和焦炭氧化反应发生在水分蒸发之后。除了连续相中的适当燃烧模型之外，煤燃烧还需要以下拉格朗日相子模型：
  • 煤水分蒸发

    表示适用于煤颗粒的水分组分 (H2O) 的准稳态蒸发模型。利用此模型，煤颗粒的 H2O 组分可通过准稳态蒸发过程流失质量。

  • 原煤脱挥

    定义如何使用两级脱挥模型或用户自定义的脱挥模型将可燃物用于燃烧。“挥发蒸气组分”属性可用于选择原煤脱挥形成的组分。如果未选择任何组分，当初始化求解域时，将发出一条错误消息（Error: no CoalVolatile vapor selected for Devolatilization model in coal(错误：没有为煤中的脱挥模型选择煤挥发蒸气)）。此属性的优点在于，用户可以使用两种不同类型的煤挥发分对两种不同的煤类型建模。

    • 两级脱挥

      控制原煤转化为气体可燃物（挥发分）和固体焦炭残留物的过程。实验研究表明，在特定的加热条件下，挥发分产额高于从标准近似分析中获得的值。通过允许煤材料经由两个温度相关竞争反应进行脱挥（即，两级脱挥模型 [751]），可以考虑这种效应。

    • 用户自定义的脱挥

      此模型可用于定义煤的原煤组分脱挥率。此外，还可以在此模型的属性中设置挥发分产额。

  • 焦炭氧化：
    有三种类型的焦炭氧化模型可用。每个特定的焦炭氧化模型节点均包含三个反应节点，每个对应于一种可能的焦炭氧化过程。
    • 带氧的焦炭反应
    • 带水的焦炭反应
    • 带二氧化碳的焦炭反应

    默认情况下，仅第一个反应（带氧的焦炭反应）处于活动状态。如果需要更精确的模拟并获得另外两个反应的反应率，可以激活其他两个可选反应。

    • 一阶焦炭氧化

      此模型用于预测煤的焦炭成分的燃烧率。在整个煤燃烧过程中，焦炭燃尽所需的时间占很大一部分。一阶焦炭氧化模型由一个或多个一阶组合率反应组成，这些反应考虑到氧化剂的气相扩散以及一阶表面反应动力学。

    • 半阶焦炭氧化

      半阶焦炭氧化模型由一个或多个半阶组合率反应组成，这些反应考虑到氧化剂的气相扩散以及半阶表面反应动力学。

    • 用户自定义的焦炭氧化

      此模型提供了另外两个焦炭氧化速率的替代方法，可用于将自定义速率设为分布或常数。

在连续相中结合使用这些拉格朗日相模型与燃烧模型时，如果双向耦合相模型也处于活动状态，则可实现完整的煤燃烧过程。还可以对仅包含多组分煤材料模型的非反应拉格朗日相进行建模，而无需激活煤燃烧。
颗粒孔隙率
Simcenter STAR-CCM+ 还提供可选的拉格朗日模型颗粒孔隙率，通过该模型可以定义内部燃烧颗粒的孔隙率在煤燃烧反应过程中如何变化。颗粒孔隙率确定颗粒的直径和表面积在整个反应过程中如何变化。当颗粒的表面积发生变化时，总体反应率会受到影响。

多相相间反应

使用相间反应模型，可以模拟两个不同欧拉相之间的反应。例如，流化床中的液体和固体颗粒之间。

相间反应
相间反应模型可与多相流模型的欧拉多相流 (EMP)、流体体积 (VOF) 或混合多相 (MMP) 变体配合使用。
使用相间反应模型，可以指定来自相间相互作用内定义的两个相中的任一个的反应物和产物组分。相间相互作用可定义相同或不同材料类型（多组分气体、多组分液体或多组分颗粒）的两个相间的反应。可以定义相间反应中涉及的来自任一个相的特定组分，也可以指定每种产物所属的相。

液膜相间反应

可以将相间反应模型与液膜模型结合使用，模拟液膜相与其邻近气相之间的反应。

与多相相间反应类似，液膜的相间反应模型可用于对两相之间的反应建模，其中液膜相定义为多组分液体，气相定义为多组分气体。