Модель химической реакции

Модели химических реакций преобразуют физические знания в математическую формулировку, которая может быть использована в вычислительном моделировании практических задач в химической инженерии . Компьютерное моделирование обеспечивает гибкость для изучения химических процессов в широком диапазоне условий. Моделирование химической реакции включает решение уравнений сохранения, описывающих конвекцию , диффузию и источник реакции для каждого вида компонентов. ^[1]

${\displaystyle {\frac {\partial (\rho Y_{i})}{\partial t}}+\nabla \cdot (\rho {\vec {v}}Y_{i})=-\nabla \cdot {\vec {J}}_{i}+R_{i}}$

R _i — это чистая скорость производства вида i в результате химической реакции, а S _i — это скорость создания путем добавления из дисперсной фазы и определенного пользователем источника. J _i — это поток диффузии вида i , который возникает из-за градиентов концентрации и отличается как в ламинарных, так и в турбулентных потоках. В турбулентных потоках вычислительная гидродинамика также учитывает эффекты турбулентной диффузии. Чистый источник химического вида i из-за реакции, R _i , который появился как исходный член в уравнении переноса вида, вычисляется как сумма источников реакции по N _R реакциям между видами.

Эти скорости реакции R можно рассчитать с помощью следующих моделей:

1. Ламинарный конечный скоростной режим
2. Модель вихревого рассеяния
3. Концепция вихревого рассеяния

Модель конечной скорости ламинарного горения вычисляет химические исходные члены с использованием выражений Аррениуса и игнорирует флуктуации турбулентности. Эта модель обеспечивает точное решение для ламинарного пламени, но дает неточное решение для турбулентного пламени, в котором турбулентность сильно влияет на скорости химических реакций из-за сильно нелинейной химической кинетики Аррениуса. Однако эта модель может быть точной для горения с небольшими флуктуациями турбулентности, например, сверхзвукового пламени.

Модель вихревого рассеивания или модель Магнуссена , основанная на работе Магнуссена и Хьертагера, является моделью реакции турбулентной химии. Большинство видов топлива быстро горят, и общая скорость реакции контролируется турбулентным смешиванием. В пламени без предварительного смешивания турбулентность медленно смешивает топливо и окислитель в реакционных зонах, где они быстро сгорают. В пламени с предварительным смешением турбулентность медленно смешивает холодные реагенты и горячие продукты в реакционных зонах, где реакция происходит быстро. В таких случаях говорят, что горение ограничено смешиванием, и сложной и часто неизвестной химической кинетикой можно спокойно пренебречь. В этой модели химическая реакция регулируется большим временным масштабом вихревого смешивания. Горение начинается всякий раз, когда в потоке присутствует турбулентность. Для начала горения не нужен источник зажигания. Этот тип модели действителен для горения без предварительного смешивания, но для пламени с предварительным смешением предполагается, что реагент сгорает в тот момент, когда он попадает в расчетную модель , что является недостатком этой модели, поскольку на практике реагенту требуется некоторое время, чтобы достичь температуры воспламенения и инициировать горение.

Модель концепции вихревого рассеивания (EDC) является расширением модели вихревого рассеивания, чтобы включить подробный химический механизм в турбулентных потоках. Модель EDC пытается включить значение тонких структур в турбулентный реагирующий поток, в котором горение является важным. EDC доказала свою эффективность без необходимости изменения констант для большого разнообразия задач горения с предварительным смешиванием и диффузионным контролем, как в случаях, когда химическая кинетика быстрее, чем общее смешивание тонкой структуры, так и в случаях, когда химическая кинетика имеет доминирующее влияние.

• Справка Ansys Fluent , главы 7, 8.
• Хенк Каарле Верстег, Weeratunge Malalasekera. Введение в вычислительную гидродинамику: метод конечного объема .
• Magnussen, BF & BH Hjertager (1977). «О математических моделях турбулентного горения с особым акцентом на образование сажи и горение». Симпозиум (международный) по горению. 16 (1): 719–729. doi:10.1016/S0082-0784(77)80366-4.
• Бьёрн Ф. Магнуссен. Норвежский университет науки и технологий в Тронхейме (Норвегия), Computational Industry Technologies AS (ComputIT), Концепция вихревого рассеяния: мост между наукой и технологией.
• Шлёгль, Фридрих. «Модели химических реакций неравновесных фазовых переходов». Zeitschrift für Physik 253.2 (1972): 147–161.
• Левеншпиль, Октав. Химическая реакционная техника . Т. 2. Нью-Йорк и др.: Wiley, 1972.