更具灵活性的全新反应流多物理场接口

Ed Fontes 2016年 9月 9日

在最近几个版本的 COMSOL Multiphysics® 中,我们陆续添加了多个新的多物理场接口,将基本的物理场接口分解成单独的接口,并在模型树的“多物理场”节点中预定义了多物理场之间的耦合。这一更新完美地结合了基本物理场接口的灵活性与预定义多物理场耦合友好的用户体验。最新的 COMSOL Multiphysics® 5.2a 版本也不例外,为我们呈现了全新的反应流 多物理场接口。

研究气体和液体中的流体流动与反应

“化学反应工程”、CFD 和“等离子体”模块均包含了各类不同形式的方程,用于描述浓溶液中化学物质的传递,其中包括 Maxwell-Stefan 方程与混合平均模型。对于浓溶液来说,模型方程必须考虑到溶液中所有物质之间的作用,而稀溶液的模型只涉及了溶质和溶剂之间的作用。下方的原理图将对上述两种描述方式进行说明。

两张原理图展示了浓溶液和稀溶液。
稀溶液(左图)和浓溶液(右图)。稀溶液中主要包括溶质和溶剂,以及不同溶剂之间的作用。浓溶液中包含了所有物质之间相互作用。

伴随着物质间的相互作用,浓溶液的速度场被定义为每种物质 i 的通量之和:

(1)

\[{\mathbf{v}} = \frac{{\sum\limits_i {{{\mathbf{n}}_i}} }}{{\sum\limits_i {{\rho _i}} }}\]

其中 n 表示通量,单位为 kg/(m2s);ρ 表示密度,单位为 kg/m3。对于稀溶液而言,速度场取决于溶剂的速度:

(2)

\[{\mathbf{v}} \approx \frac{{{{\mathbf{n}}_{solvent}}}}{{{\rho _{solvent}}}}\]

由上图和方程(1)我们可以看出,浓溶液中的物质传递和流体流动实现紧密耦合。

在 COMSOL Multiphysics® 中使用新的反应流 多物理场接口

在先前版本的 COMSOL Multiphysics 中,反应流 接口是一个独立的多物理场接口,拥有自己的域设置和边界条件,专门用于处理流动耦合以及化学物质的传递与反应等问题。由于全部设置均为预定义的,所以该接口使用起来十分方便。然而另一方面,这类预定义物理场接口却在一定程度上失去了一些灵活性。假设当您想分别对浓物质传递方程和流动方程进行更大幅度的更改时,预定义的多物理场接口便无法胜任这一操作,而必须通过单独添加两种类型物理场接口来定义问题,然后再手动创建多物理场耦合。

使用全新的反应流 接口处理浓溶液问题时,您便能分别更改输送方程和流体流动设置,进而处理此类紧密耦合问题。耦合本身是在“多物理场”节点中进行定义的。借助此功能可以实现很多操作,例如将层流变为湍流,或者将传递模型从 Maxwell-Stefan 方程改为混合平均模型。

让我们来看看如何在模型树和“多物理场”节点设置中实现这一功能。如下方截图所示,在“多物理场”节点中对耦合进行预定义后,这一基本物理场接口中的全部常规节点都允许用户随时修改。预定义耦合可控制质量通量,并且在对全部物质的质量通量进行求和时,与流动的连续性方程相符。通过这种方式,两组方程实现了双向全耦合。

屏幕截图展示了反应流多物理场节点的设置。
启用了 反应流多物理场节点的模型树。我们不仅可以选择要耦合的物理场接口,同时还可以更改流动模型,使之包含湍流反应流。相比于之前的多物理场接口,这一方式在保留易用性的同时,还具有更大的灵活性。

反应流 多物理场接口的另一个优势体现在“研究”节点中。我们能通过求解流体流动方程,从而获得较为准确的总通量初始猜测值。在步骤 2 中,我们仅对物质传递问题进行了求解,其中速度场是通过之前的流体流动方程计算得出的。

针对流体流动和溶液成分,我们已经得到了满意的解,现在可以将其用作全耦合问题的初步估测值。最后一个研究步骤(步骤 3)涉及了求解全耦合系统中的流体流动和化学物质传递。需要注意的是,就大量的三维物质而言,尽管全耦合系统本身可能也遵循一定顺序,但是所有物质和流体流动的循环都是自动执行的。

屏幕截图突出显示了三个研究步骤。
三个研究步骤(1,2,3)分别求解了流体流动、化学物质传递和全耦合问题。由自动生成的求解器配置可知:中间步骤用于存储流场和浓度场,最后一步将存储的解用作初始估测值,并对全耦合问题进行了求解。

借助全新的反应流 多物理场接口,您可以解决一系列有趣的问题,比如下方的案例。图像显示了管式反应器(用于将甲烷转化为氢气)中的流动和浓度,模型结合了浓溶液中物质传递、自由多孔介质中的流体流动,以及吸热反应与反应器圆柱外壁上加热夹套之间的传热现象。

仿真结果显示了反应器中的氢浓度。
反应器中的氢气浓度,该反应器用于将甲烷转化为氢气。反应器中的反应为吸热反应,热量来源于柱筒壁,因此壁附近的氢气生成量较高。

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评论

  1. 晓华 刘 2017-12-13   1:35 am

    您好,我想问一下 ,浓物质传递接口可以用于液体溶液中么?

  2. 晓华 刘 2017-12-13   1:43 am

    我知道了,可以用于液体中。打扰您了,抱歉。

  3. 宇航 秦 2017-12-14   1:40 am

    刘晓华,您好!

    非常感谢您的关注。

    秦宇航

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