很多工业过程和设备的运行中存在各种类型的化学反应,常见的过程有内燃机的喷雾燃烧过程,煤粉的燃烧过程分析等等。使用CFD工具对其进行准确的分析,可以对设备和操作条件的优化提供大量的可靠的数据,节省实验费用和研发时间。
常见的化学反应过程根据流体相态的不同可以分为气相反应、 液相反应、 气液相反应、 气固反应、液固反应以及气液固三相反应等,根据催化状态可以分为催化反应和非催化反应等。还可以根据混合状态分为非预混反应,部分预混以及预混反应。每种化学反应类型又包括很多具体的反应过程,比如甲烷燃烧,气相反应沉淀,煤粉燃烧等,而每个反应过程也是很多基元反应共同作用的结果,其中也包含了很多种中间组分。常见的设计化学反应的装置如各类搅拌反应器、定床/流化床反应器、工业炉、内(外)燃机等等。
考虑到化学反应过程本身的复杂性,CFD根据具体过程的不同,可以采用多种不同的方案进行分析。
涉及行业
汽车工业/航空航天
a.发动机缸内燃烧(柴油机、汽油机缸内详细化学反应分析)
b.尾气处理装置
化学工业(石油化工/煤化工/精细化工)
各类燃烧炉
固定床催化反应器
流化床催化反应器
搅拌式反应器
燃料电池
化学反应求解功能
STAR-CD/STAR-CCM+系列软件可以提供多种方法解决CFD过程中的化学反应问题,根据反应物混合状态和反应过程的特征,采用不同的计算方法。STAR-CD/STAR-CCM+中主要有以下几种:
1)使用总括反应简化反应过程;
2)采用STAR/STAR-CCM+本身模型,或用户子程序,或DARS-CFD等,分析详细化学反应过程。
Star-CD/STAR-CCM+中可以采用的模型根据混合状态的不同,可以选用多种模型,比如EBU模型,PDF模型,CFM模型,Weller模型等。
根据反应特征的不同确定采用何种求解模型:
a)对于非催化反应,可以根据计算精度要求简化模型。在计算精度不高的情况下,可以把反应过程归纳成1个或多个主要的化学反应,然后将这些化学反应使用STAR-CD/STAR-CCM+的GUI设定,或者用户子程序加入到计算模型中。在计算精度要求高的情况下可以使用Star-CD/STAR-CCM+本身的分析功能、用户子程序或使用DARS-CFD功能,将反应过程的详细机理加入到CFD模型中。
某燃烧过程的DARS-CFD基元反应
DARS-CFD计算分析结果(NO分布)
b)催化反应其主要的反应过程是在固体催化剂表面进行的,所以涉及到表面化学反应。对于化学反应过程,通过STAR-CD/STAR-CCM+中的DARS-CFD功能分析详细表面化学反应机理。对于催化剂部分的压降,可以采用多孔介质的方法得到。
气相表面催化反应
气相表面化学反应机理
分析结果图