化学反应工程模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.6 版本为“化学反应工程模块”的用户引入了用于反应系统建模的新功能:自动反应配平、预定义的热力学系统和用于浓物质传递的反应颗粒。这些新功能在该模块“案例库”的新教学案例中有所体现,您可以将这些教学案例用作模型的起点。请阅读以下内容,进一步了解这些化学反应工程特征。

自动反应配平

定义模型时,可能很难发现涉及许多反应物和产物的化学方程中的拼写错误和其他错误。COMSOL Multiphysics® 5.6 版本的“化学反应工程模块”引入了对化学元素的解析,以便对反应执行化学计量配平,通过原子平衡确保化学元素在化学方程中守恒。单击配平 按钮后,软件会自动计算化学计量系数,以保存所有元素。此外,原子元素的解析还支持自动计算化学物质(化合物)的摩尔质量。

COMSOL Multiphysics 5.6 版本中的反应设置,带有标注表明在何处键入反应和执行平衡;反应尚未处于平衡状态。 反应平衡前 单击配平 按钮前的化学方程。
COMSOL Multiphysics 5.6 版本中的反应设置,带有标注表明在何处键入反应和执行平衡;反应处于平衡状态。 反应平衡后 单击配平 按钮后的化学方程。

预定义的热力学系统

干空气、湿空气和水汽可用作预定义的热力学系统,用于模拟气候控制和发生在水或空气中的化学反应。对于 CFD、传热和声学应用建模,这些热力学系统可以在材料 节点中生成相应的材料。空气的不同变体(干空气、湿空气和蒸汽)自动定义物质:氮、氧、水、氩、二氧化碳、氖和氦。

COMSOL Multiphysics“模型开发器”具有预定义的热力学系统,适用于干空气、湿空气和水汽。 预定义的系统:干空气、湿空气和水汽 三个预定义的系统:干空气、湿空气和水汽。

浓溶液的反应颗粒

新的反应颗粒床 特征提供了一个模板,用于对具有双峰孔结构的固定床反应器中的输送和反应进行建模。例如,您可以模拟由球形颗粒组成的固定床,其中颗粒本身是多孔的,因此这是一种颗粒之间有大孔,催化剂颗粒内部有微孔的体系。大孔和微孔中浓物质的迁移和反应在不同的坐标系和不同的比例下建模,但它们都是相互联系的。

一个化学反应模型,显示了宏观尺度的催化剂床,并在微观尺度上插入一个孔,其中流入和流出用箭头表示。 具有大孔和微孔的催化剂床 微观尺度中的径向坐标 r 定义在由 x、y 和 z 定义的三维宏观系统中的每个点上。求解了微观尺度上的输运方程和反应方程,并将它们与宏观尺度上的输运方程相耦合。
COMSOL Multiphysics 5.6 版中“反应颗粒床”特征的设置,其中“坐标系选择”和“颗粒属性”部分为展开状态。 “反应颗粒床”特征设置 反应颗粒床特征提供了多个预定义的设置,用于指定固定床反应器内的反应颗粒。在此处显示的 设置窗口中,您可以指定颗粒形状、颗粒大小分布、半径、孔隙率和温度。

新的多孔介质特征

此版本新增的多孔介质处理特征可用于定义不同的相:固体、流体和静止流体。在多孔介质传热 接口中,多孔介质 特征用于管理材料结构,并为每个相(流体多孔基体 和(可选的)静止流体 )提供专门的子特征。这个新的工作流程不仅更加清晰,可以改善用户体验;还以更自然的方式促进多孔介质的多物理场耦合。通过与水分输送多孔介质流动 接口结合使用,多孔介质传热的功能改进支持对多孔介质中的非等温流动和潜热储存进行建模。

以下模型使用了这一新设置:

COMSOL Multiphysics 5.6 版本中的“多孔介质”特征设置,其中显示“有效电导率”选项,并突出显示倒数平均值。 多孔介质特征的设置 包含流体相、固体相和静止流体相的多孔材料与 多孔介质传热接口中的 多孔介质特征结合使用。设置窗口显示了用于定义多孔介质中不同相的有效导热系数的模型选择。

稀物质传递的多孔介质特征得到改进

新版本对多孔介质中的稀物质传递 接口进行了改进,以使用新的多孔介质 节点。多孔介质中的稀物质传递 接口中添加了两个新的域特征:多孔介质非饱和多孔介质 节点。您可以使用新的多孔介质 节点为多孔介质中的多个相指派材料属性,其中具有专门的选项来定义液体、气体和多孔基体的属性。您可以在活性炭芯陶瓷滤水器教学案例中看到此功能的应用演示。

COMSOL Multiphysics 5.6 版用户界面的特写视图,显示了“多孔介质中的稀物质传递”设置,“图形”窗口中显示陶瓷滤水器滤棒模型。 演示更新的多孔介质特征 陶瓷滤水器滤棒中的污染物浓度。

在流体传热中自动检测理想气体材料

各种传热接口中提供的流体 特征已更新,用户可以利用理想气体假设来提高计算效率。流体类型 列表中新增的来自材料 选项可以自动检测每个域选择应用的材料是否为理想气体,并针对每种情况使用相关属性。例如,在计算可压缩非等温流动中的压力功时,这可以加快计算速度。由于 COMSOL Multiphysics® 和“材料库”中提供的气体被模拟为理想气体,许多包含可压缩非等温流动的模型将受益于这一改进。

LED 灯泡模型,使用热像仪颜色表以深蓝色到白色的颜色渐变显示灯泡周围的速度和灯泡内的温度。 使用自动检测理想气体公式的 LED 灯泡模型 LED 灯泡中的温度分布(表面图)和速度(箭头和流线)。在 COMSOL Multiphysics® 5.6 版本中,通过自动使用理想气体公式,计算时间缩短了 10%。

新的教学案例

COMSOL Multiphysics® 5.6 版本的“化学反应工程模块”引入了三个新的教学案例。

啤酒发酵反应器

切割后的啤酒发酵反应器模型,显示内部的流体流动和温度。 啤酒发酵反应器模型 啤酒发酵反应器模型,分析了十种不同的化学物质、传热和流体流动。

“案例库”标题:
beer_fermentation
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热管

热管模型,带有一个切口来显示管的内部结构。 热管模型 热管模型,分析了相变、传热和流体流动。

“案例库”标题:
heat_pipe
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相包络

氯仿-甲醇相包络的一维绘图,其中露点用蓝线表示,泡点用绿色点虚线表示。 氯仿-甲醇相包络图 非理想氯仿/甲醇混合物的相包络。首先,构建温度-组成图,突出显示了共沸混合物。此外,软件还会生成焓-组成图。

“案例库”标题:
phase_envelope
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