cpfd barracuda 24.0 help 中文(第五章)

5。材料库    

在基础材料部分，用户定义模型中任何部分使用的所有材料（气体、液体、固体或蒸汽）以及它们的热学和物理性质。Barracuda包括许多常用材料的属性库，可以在模型中使用。此外，材料可以由用户创建或编辑。基本材料窗口提供了在项目中导入、替换、创建、编辑、复 制和删除材料的功能。

5.1。基本材料窗口    

基本材料窗口，图5.1，包括项目材料列表，材料属性库和属性设置。

图5.1基本材料窗口

材料列表

材料列表遵循模型中材料的添加、编辑、复 制、删除模式。请注意，如果材料被用于任何边界条件、初始条件或化学反应，则不能删除该材料。如果用户试图删除正在使用的材料，GUI将显示警告。

属性
    

用于流体混合物性质的平均方法可以选择为摩尔平均或质量平均。在计算流体混合物的粘度，导热性和质量扩散率时应用该选择。默认选择为摩尔平均，这导致流体混合物性质计算为：

其中p_mix为混合物性质值，y_i为物质i的摩尔分数， pi为流体物质i的属性值。

如果选择Mass average，则流体混合物的性质计算为：

其中p_mix为混合物性质值，xi为物质i的质量分数，pi为流体物质i的属性值。

材料属性库

要从材质库中导入一个材质，请单击右侧窗格中所需的材质来选择它，然后单击Import按钮，参见图5.1。图书馆的资料是按字母顺序排列的。用户可以通过点击列标题来改变排序顺序。通过将输入的搜索字符串与库中材料的名称、状态或描述相匹配，可以轻松地在数据库中找到资料。

材质库存储在cpfdHQ/props目录下一个名为cpfd_prop,oro的文本文件中。属性文件的完整路径显示在材质库列表下面。材料属性源的参考资料列在这个文件的标题部分。

几种材料在库中有多个条目，对应于物质的不同状态或材料属性数据的不同来源。请务必选择您希望添加到项目中的材料的正确版本。    

替换项目材料列表中的材料可以替换为库中的材料。在基础材料窗口（图5.1）中，用户可以通过在项目材料列表中选择材料，然后从材料库中选择所需的新材料并点击replace按钮来替换材料。Barracuda GUI将此更改在整个项目文件中应用，包括引用原始材料的任何初始或边界条件。

5.2。指定基础材料    

基础材料编辑器对话框，如图5.2所示，用于查看、编辑和向Barracuda模型添加材料属性。在整个对话框中，绿色的文本表示属性已经完全定义并且有效。红色的文本表示属性要么是未定义的，要么是其有效性存在潜在问题。    

图5.2基础材料编辑器对话框

每个基础材料都需要指定一个唯一的名称和物质状态。根据流动类型、材料相、反应和模拟的热性质，可能需要密度、热容量、粘度等其他特性。

名称当材料用于颗粒、初始条件、边界条件和化学反应时，名称用于识别材料。因此，所有材料都需要它，并且必须与项目中使用的任何其他材料不同。不要在材料名称中使用特殊字符，如冒号、斜杠、百分号等。有些输出文件直接在文件名中使用该名称，根据文件系统的不同，特殊字符可能会导致问题。    

物质相对于每种材质，物质相必须指定为Gas、Liquid、Liquid/Vapor或Solid。此字段指示将与“材料”选项卡一起显示哪些特定于相位的选项卡。

描述可以在Description字段中输入关于基础材料的附加说明。用途是记录材料属性数据的来源或材料在模型中的使用。这个字段是可选的。

材料选项卡

气体、液体/蒸汽和参与化学反应的任何物质的分子量都必须指定。对于不发生反应的固体或液体，不需要说明分子量。分子量的单位是g/mol。

指定焓为此选项仅适用于液相/气相材料。以下选项可在下拉菜单中选择：

§
液体焓和蒸汽焓选择此选项时，必须同时定义液相和气相的生成热和热容，这样求解器才能直接计算出各相的焓。然后将汽化热计算为蒸汽焓与液体焓之差。

其中:

ΔHvap为蒸发热

hV为基材蒸汽焓

hL为基材液体焓

§
液体焓和汽化热当选择这个时，必须定义液相的生成热和热容，并且必须在“材料”选项卡中指定汽化热。点击编辑汽化热表达式按钮，将弹出材料属性编辑器，其中汽化热可以定义为四阶多项式、二重多项式、插值SFF文件或沃森方程。然后根据液体焓和汽化热，通过求解器计算出气相的焓。

§
选择蒸气焓和汽化热时，必须定义气相的生成热和热容，并且必须在“材料”选项卡中指定汽化热。点击编辑汽化热表达式按钮，将弹出材料属性编辑器，其中汽化热可以定义为四阶多项式、二重多项式、插值SFF文件或沃森方程。然后根据蒸汽焓和汽化热，通过求解器计算出液相的焓。

启用气体吸收模型此选项仅适用于不可压缩模拟中的气相材料。选中复选框可开启气体吸收模型。Barracuda中的气体吸收模型模拟了气相材料溶解到液相溶剂中的过程。气体吸收的驱动力是气相中气体分压与液相中气相浓度乘以亨利定律常数的平衡：

(5.1)

其中:

pbub,a气体物质a在Pa中的气相分压

kH,a是物质a的亨利定律常数，单位为Pa/（mol/m3）

Cliq,a为气态物质a在液相中的浓度，单位为mol/m3

气体质量从气泡向液体的传递速率由这个平衡导出：

  (5.2)

其中:

Ma是气泡中a的质量物质，单位为kg

Ab是气泡的表面积，单位为m2    

Km,a为材料a的传质系数，单位为m/s

Ma为材料a的分子量，单位为g/mol

Pbub是Pa中气泡内部的压强

R为通用气体常数，8.31446 J/(mol·K)

Tbub中气泡内部的温度K

χbub,a为气泡中物质a的摩尔分数

传质速率系数由Calderbank和Moo-Young [WWWR01]的相关性设定：

         (5.3)

其中:

Sh是Sherwood数

DaL为物质aa在液体溶剂中的扩散系数，单位为m2/s

Dbdb为气泡直径，单位为m

Gr是Grashof数

Sc是Schmidt数

Grashof数和Schmidt数定义为：

    (5.4)

和

   (5.5)
    

其中:

ρL为液体密度，单位为kg/m3

g为正引力常数，9.81m/s2

μL为液体粘度，单位为Pa/s

ρb为气泡中的密度，单位为kg/m3

溶质在溶剂中的扩散系数可以用转换成SI单位的气体混合物的Wilke-Chang法估算[RPP87]：

(5.6)

其中:

ϕ为液体的扩散关联因子

M为液体溶剂的分子量，单位为g/mol

T为液体温度，单位为K

Va为物质a的摩尔体积，单位为cm3/mol

由于Barracuda中溶质和溶剂的相互作用，故计算公式中：

          (5.7)

其中:

χi为物质i在液体中的摩尔分数

ϕi为液体i的扩散关联因子

M为液体i的分子量，单位为g/mol    

使能蒸发模型选中复选框，开启蒸发模型。Barracuda中的蒸发模型模拟了颗粒上的液体与相应的气相材料之间的传质。如果液体表面蒸汽压大于周围的蒸汽分压，就会发生蒸发。反之，如果表面蒸汽压小于周围蒸汽分压，则发生冷凝。由于蒸发和冷凝是相反方向的相同物理现象，因此在Barracuda中统一使用术语蒸发指代这两个现象。

蒸发模型的传质分量的特征为：

      (5.8)

其中:

M˙evap,i为物质i从液膜到气相的传质速率，单位为kg/s

γm,i为物质i的传质系数，单位为m/s

Af为液膜表面积，单位为m2

ρi为物质i在液膜表面的质量浓度，单位为kg/m3

ρi,∞为物料i在散装流体中的质量浓度，单位为kg/m3

对流传质系数的计算公式为：

          (5.9)

以Sherwood数作为Reynolds数和Schmidt数的函数：

  (5.10)

     (5.11)

               (5.12)

其中:    

Dm为蒸汽质量扩散系数，单位为m2/s

ρf为散装流体的密度，单位为kg/m3

Uf为体积流体的速度，单位为m/s

Up是粒子的速度，单位为m/s

μf为体流体粘度，单位为Pa/s

使用蒸发模型时，需要蒸气压。点击编辑表达式按钮会弹出材质属性编辑器，其中蒸汽压可以定义为四阶多项式、二重多项式、插值SFF文件或安托万方程。

蒸汽压用于确定公式（5.8）中使用的ρi。

    (5.13)

其中:

pvap,i为材料i的蒸气压，单位为Pa

Mi为材料i的分子量，单位为kg/mol

R为通用气体常数，8.31446 (Jmol·K) 

T为温度，单位为K

当使用蒸发模型时，需要蒸汽质量扩散系数。单击编辑表达式按钮将弹出材料属性编辑器，其中质量扩散系数可以定义为四阶多项式，双多项式或插值SFF文件。

物质相选项卡

密度 对于可压缩模拟中的气体和蒸汽材料，密度场将不会出现，因为理想气体定律用于根据用户指定的分子量计算材料密度。为了计算密度，使用计算单元温度和压力，这样气体密度在整个系统中通常会在空间上发生变化。基于这些参数，气体或蒸汽密度ρGas算为：    

其中:

ρGas为气体密度（kgm3）

P为绝对压力（Pa）

R为通用气体常数，8.31446 (Jmol·K) 

T为温度(K)

MW为分子量（gmol）

对于固体材料，则需要密度。单击编辑表达式按钮将弹出材料属性编辑器，其中密度可以定义为四阶多项式，双多项式或插值SFF文件。假设Barracuda中的粒子为硬球，不考虑孔隙率。因此，在Base Materials对话框中指定的密度应该是材料的“envelope density包络密度”。如果你要把一个粒子包裹在一个零厚度的包络层中，这样包裹的粒子就是一个没有孔隙的球体，那么你需要在Barracuda中指定的密度就是这个球体的质量除以它的体积。需要注意的是，这个密度并没有考虑到一组填充粒子之间的间隙空间。因此，不要将其与粒子种的“bulk density填充密度”混淆，后者是一大群粒子的表观密度，包括间隙体积。例如，如果对一桶颗粒进行称重，并且已知桶的内部体积和皮重，则可以计算出颗粒的bulk density。如果知道某粒子中的bulk density，ρBulk和填充体积分数θCP，就可以计算出它的基础颗粒材料密度ρ为：

（译者提示：本段内容介绍了barracuda在定义颗粒材料属性的时候的几个概念,即，颗粒密度，床层填充密度，颗粒填充体积分数或者说是床层填充度，颗粒真密度。

其中，颗粒密度就是材料库中需要我们定义的颗粒密度属性particle desity；床层填充度就是填充体积分数θCP；床层堆积密度就是bulk density,ρBulk；颗粒真密度就是单一物质的密度。

举个例子说明一下：

某流化床模拟，颗粒为活性炭，成分是Carbon。那么真密度按道理来说就是2200kg/m3左右，颗粒是没有空隙的，紧密填充的颗粒原子组成的颗粒，但是你在定义活性炭密度的时候不能采用2200这个真密度数值，需要填写颗粒密度。往往厂家提供的是bulk density。原因很简单，上一段举例了，这个数据好测。比如说厂家提供的bulk density是260kg/m3，另外颗粒的填充体积分数也一般都是在0.5-0.65之间，假设这个值已知，是0.63，那么，材料库中定义的颗粒密度就应该是260÷0.63=412.7kg/m3。而不是默认的材料参数2200kg/m3，这个参数设置错了会导致计算流化状态结果差别极大，千万注意！）

对于液体材料，要求密度。单击编辑表达式按钮将弹出材料属性编辑器，其中密度可以定义为四阶多项式，双多项式或插值SFF文件。如果将液体用作粒子种类的组成部分，则在对粒子种类的总体密度做出贡献方面，将以与固体材料类似的方式处理它。

对于不可压缩模拟中的流体，混合物的流体密度计算为：

其中:

ρmix为混合流体密度    

Xi为物质的质量分数i

ρi为物质i的密度

摩尔体积对于不可压缩模拟中的气体材料，使用摩尔体积代替密度。接受的摩尔体积单位是cm3/mol对于这些物质，不使用理想气体定律。

粘度所有气体、液体和蒸汽材料都需要粘度。单击编辑表达式按钮将弹出材料属性编辑器，其中粘度可以定义为四阶多项式，双多项式或插值SFF文件。

扩散关联因子对于不可压缩模拟中的液体材料，如果启用气体吸收模型，则必须指定扩散关联因子。水溶剂为2.6，甲醇为1.9，无关联时为1.0。

表面张力对于不可压缩模拟中的液体材料，表面张力是决定气泡性质的重要因素。单击编辑表达式按钮将弹出材料属性编辑器，其中表面张力可以定义为四阶多项式，双多项式，插值SFF文件，或通过沃森方程。

液体混合物的表面张力计算公式为：

其中:

σmix为混合物的表面张力

ρmix为混合物的密度

Xi是物质i的质量分数

σi材料i的表面张力

ρi材料i的密度

生成热在热计算中，任何反应物质都需要生成热。注意，生成热的输入单位是J/kg，而参考资料中的许多表列值可能是J/mol或kJ/mol。    

热容在热计算中，所有材料都需要比热容。单击编辑表达式按钮将弹出材料属性编辑器，其中热容可以定义为四阶多项式，双多项式或插值SFF文件。

焓焓是一个计算属性，而不是Barracuda的输入。点击“查看表达式”按钮将弹出材料属性编辑器，允许用户轻松查看在单一温度下计算的焓，或通过启动验证图在一定温度范围内计算焓。焓的计算方式为：

其中:

h(T)是物质在T温度下的焓，单位为J/kg

ΔHf为生成热，单位为J/kg

Cp为比热容，单位为J/kg/K

T是温度，单位是K

Tref为参考温度，298.15K

热导率热计算中所有材料的热导率都是必需的。单击编辑表达式按钮将弹出材料属性编辑器，其中导热系数可以定义为四阶多项式，双多项式或插值SFF文件。

吸收系数当使用辐射模型时，气体材料需要吸收系数。

折射率使用辐射模型时，气体材料需要折射率。

散射系数当使用辐射模型时，气体材料需要散射系数。

从其他材料导入属性选择这个选项将启动导入材料属性对话框。从材料属性库或项目材料列表中选择材料。使用搜索栏按名称或描述查找材料。从列表中选择所需的材料，以便从相位导入属性。所选材料和相位的属性将被填充到当前活动的材料相位选项卡中。    

图5.3导入材料属性对话框

5.2.1。材质属性编辑器
    

材质属性编辑器对话框，如图5.4所示，以粘度为例，用于指定材料属性单位，表达式和限制。用于评估和绘制属性数据的验证工具，关于当前属性的消息，以及复 制和粘贴表达式的能力也出现在这个对话框中。    

图5.4材质属性编辑器对话框

材质显示当前材质的名称和状态。

属性显示当前正在编辑的属性，如粘度、热容量等。

属性单位允许用户从当前属性可用的度量单位中进行选择。

温度单位允许用户为属性规格选择温度单位。

表达式

Barracuda支持多种类型的表达式来定义材料属性，下面将逐一介绍。某些类型的表达式仅适用于某些属性。    

四阶多项式材料性质计算为四阶多项式形式：。在提供的文本框中输入系数a0~a4，如图5.4所示。

二重多项式如果温度低于分裂温度，则采用低量程四阶多项式计算材料性能；如果温度高于斯普利特温度，则使用上量程四阶多项式。重要的是，下阶和上阶多项式在Split温度下具有相同的值，因为在Split温度下的不连续可能导致求解器不稳定。

图5.5二重多项式表达式

材质属性是使用SFF文件定义的，遵循使用SFF文件的表格输入GUI模式。在SFF编辑器中，输入列是所选温度单位中的温度，输出列是所选属性单位中的属性值。

图5.6从SFF文件表达式插值

Antoine方程这种形式只适用于液体物质的蒸气压。蒸汽压根据Antoine方程计算：    

常数A、B和C使用提供的文本框指定。

图5.7Antoine方程表达式

沃森方程的形式是：

常数A、Tcr（临界温度）和n使用提供的文本框指定。

图5.8沃森方程表达式

温度限制

通常情况下，材料性能表达式在某个有限的温度范围内是有效的。对于定义为四阶多项式的性质尤其如此，这些性质在非常低或非常高的温度下可能变得无 界。对于这样的性质表达式，最小值和最大值。可以指定温度限制。如果温度低于指定的最小温度，则使用在最小温度下计算的表达式的值。同样，如果温度高于指定的最大值。温度，然后表达式的值，在最大值处求值。，使用。为了求最小值和最大值。若要强制执行温度限制，则必须启用温度限制旁边的复选框。

数值限制
    

值限制选项用于直接限制表达式的值。如果计算表达式值低于指定的最小值，则将使用最小值。类似地，如果计算表达式值高于指定的最大值。值，然后是最大值。Value将被使用。为了求最小值和最大值。若要强制执行值限制，则必须启用值限制旁边的复选框。

验证

材料属性编辑器的验证部分提供了在单一温度下对当前材料属性值的方便计算，以及在温度范围内绘制表达式的能力。

显示单位为允许在当前指定的属性单位或SI单位中执行材料属性验证。

单个温度验证第一个文本框允许输入单个温度值。输入T =（温度）的值，然后按键，或者点击窗口中的另一个文本框，会导致显示的Expression =value被更新，显示表达式的值，在指定的温度下求值。

温度范围验证第二个文本框允许指定一个温度范围，从Tmin到Tmax，间隔为ΔTΔT。指定所需的范围，然后点击Plot按钮将生成一个材料属性表达式值的绘图。如果已经定义并启用了材料属性限制，则该图将反映指定的限制。

信息

为了帮助用户确保定义了有效的材料属性，材料属性编辑器的信息部分显示了有关当前指定表达式的信息。如果表达式是有效的，绿色的文字将表示有效。如果表达式无效，则红色文本将表示在表达式中发现的问题。

复 制表达式

允许很容易地复 制一个材料属性表达式从一个基本材料到另一个。当点击Copy Expression按钮时，表达式被复 制，包括所有单位、表达式类型、温度限制和值限制。表达式只能在相似属性之间进行复 制粘贴（即黏度到黏度，热容量到热容量等）。    

粘贴表达式

允许轻松粘贴已复 制的材质属性表达式。这个按钮只有在一个Expression被复 制后才会激活，并且这个Expression的类型是相同的。属性表达式只能粘贴到类似的属性中（即黏度到黏度，热容量到热容量等）。