反应流体

在反应流体中，当条件允许时，化学组分会相互混合并发生反应。为了对这些流体建模，Simcenter STAR-CCM+ 使用可计算源项的化学求解器耦合组分和能量传输方程。

例如，下图表示碳氢化合物（己烯）和氧之间的反应。通常，在生成最终产物之前，会发生很多中间反应。

反应流体系统的示例包括：

燃气轮机燃烧室中的燃烧
后处理催化剂中的表面反应
混合容器中的液体-液体反应
管状反应器中的聚合

在碳氢化合物燃料的燃烧过程中，例如，数以千计的组分之间发生数以万计的反应。研究人员开发的反应机制采用一系列基元反应表示这些实际燃烧情景。反应机制可包含一到数千个反应。这些反应通常具有各种时间尺度 — 介于 $10^{- 9}$ s 和 $10^{2}$ s 之间的任意值。

例如，一种用于丙烷燃烧的简化全局反应机制可以定义为三个不可逆反应：

C_{3} H_{8} + 1.5 O_{2} \to 3 C O + 4 H_{2}

C O + 0.5 O_{2} \to C O_{2}

H_{2} + 0.5 O_{2} \to H_{2} O

以上定义的反应机制由六个组分和三个不可逆反应组成。组分输运模型可以为此系统中每种组分的守恒求解（如 Eqn. (1871) 中所述）。通过利用反应机制中所述的动能速率信息，化学求解器可提供封闭方程所需的源项。由于 Simcenter STAR-CCM+ 采用化学-热焓形式求解能量方程，因此能量方程无需与化学相关的额外源项。

建模方法

Simcenter STAR-CCM+ 将反应流体模型划分为两类 — 反应组分输运和小火焰。

在反应组分输运模型中，将为机制中的所有组分求解包含化学源项的守恒方程。

反应组分输运建模法适用于一个或多个组分的混合时间尺度 $τ_{m i x}$ 短于反应时间尺度 $τ_{k i n}$ 的反应流体系统。此方法可用于模拟缓慢形成的污染物、燃烧室中的部分负载条件以及诸如爆炸、点燃和熄灭等瞬态燃烧。
在小火焰模型中，反应流体系统由有限数量的小火焰变量进行参数化，这些变量用于描述 CFD 网格单元中的热化学状态。将为有限数量的小火焰变量而非所有组分求解守恒方程。要求解守恒方程的小火焰变量的数量和类型取决于特定小火焰模型。与反应组分输运法相比，小火焰法的计算成本更低，因为求解的传输方程的数量更少，并且在 CFD 模拟之前会求解反应机制中的化学。

小火焰建模法适用于反应时间尺度短于混合时间尺度的反应流体系统。此方法可用于稳态燃烧的熔炉和燃烧器，以及燃烧室中的满载条件。

在反应流体模拟中，将分别根据 Eqn. (664) 和 Eqn. (665) 求解流体的连续性方程和守恒方程。

化学源项 $S_{i}$ 考虑：

对于反应组分输运模型，将使用组分 $i$ 的质量分数 $Y_{i}$ 求解所有组分的守恒方程。
对于小火焰模型，不会针对组分质量分数求解守恒方程。相反，将为相关小火焰变量求解守恒方程：
- 混合分数 $Z$
- 混合分数偏差 $Z_{var}$
- *非标准化过程变量 $y$
- *非标准化过程变量变化 $y_{var}$
（*使用 FGM 模型时。）
每个过程变量守恒方程中也包括化学源项。

在 Simcenter STAR-CCM+ 中，每种反应流体模型之间的主要区别在于如何设定化学源项

S_{i}

。化学反应以指数方式依赖于反应物的温度和成功碰撞。反应率取决于不会在 RANS 和 LES 计算中进行求解的局部瞬时组分和温度分布。因此，可使用不同的模型来考虑以下事实：为某网格单元计算的平均反应率不会准确反映该网格单元内特定位置的反应率。例如，网格单元内温度的差异导致组分可用于反应的动能存在差异。

当平均反应率受湍流以及化学的影响时，此现象称为湍流-化学相互作用。不同的模型用于考虑这些湍流-化学相互作用效应。组分输运模型通过网格单元之间的湍流扩散考虑此效应。还可以应用时间尺度模型，其中层流化学源项（根据平均量计算的反应率）的时间尺度与湍流的时间尺度相结合。在小火焰模型中，通过小火焰变量的假定形状概率密度函数 (PDF) 处理湍流-化学相互作用效应，其考虑局部组分和温度分布的效应。此外，还可使用火焰传播模型将火焰前端的运动专门建模为湍流和化学状态的函数。

多孔介质中的反应

在多孔介质中模拟反应时，Simcenter STAR-CCM+ 定义多孔区域或多孔相中的有效气体体积，如下所示：


多孔区域中的反应。	有效气体体积与孔隙率无关，因此体积反应与孔隙率无关。
使用多孔介质模型时的相反应。	有效气体体积与孔隙率成比例，因此有效的反应率与孔隙率成比例。