化学反应流仿真中的一些术语

反应流仿真理论中的一些基本术语。

 

注：本文取自STAR CCM+ Theory Guide。其他CFD软件也通用。

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Cell Residence Time

网格驻留时间    指的是在一个计算网格内评估化学反应的时间步长。对于非稳定流动，其为指定的时间步长；对于稳定流动，其为流体单元在网格中停留的时间。该物理量的计算方法为网格单元内的质量除以网格单元中的质量通量。

Unnormalized Progress Variable

非标准化过程变量  用于跟踪燃烧进度。它由 STAR-CCM+ 根据化学焓或组分权重  计算得到，具体取决于生成小火焰表时选择的选项。  定义为：

Unnormalized Progress Variable Variance

非标准化过程变量变化  使用输运方程或根据代数关系进行计算：

Progress Variable

过程变量表示为    。当   =0 时，表示燃烧尚未开始，当   =1 时，表示燃烧完成。STAR-CCM+ 在计算过程变量时考虑形成的产物比例，例如在碳氢化合物燃烧期间形成的  和   ，或氢气燃烧期间形成的  。

Progress Variable Variance

过程变量方差定义为：

Equivalence Ratio

当量比  将未燃烧混合物中的燃料及氧化剂质量分数  与化学计量混合物中的质量分数关联起来。其根据混合物中的碳、氢和氧含量进行计算：

式中  表示未燃物。

Flamelet

小火焰是指薄层流火焰，在燃烧模拟中也称为精细结构。

Mass Fraction

组分   的质量分数    定义为该组分所有分子的总质量    除以混合物中所有组分的总分子质量   ：

其中：

 通过下式计算：

式中  为体积。

Mixture Fraction

混合分数  被定义为来自燃料流的元素组成。例如，考虑一个在空气中燃烧的碳氢化合物分子CnHm。无论反应状态如何，混合分数都是C和H的元素质量分数。也就是说，C和H原子可以在未燃烧的燃料CnHm中，也可以在燃烧产物H₂O和CO₂中。

混合分数可以通过下式计算：

其中，   为源自燃料流的所有元素在任何空间位置的总质量，   为源自氧化剂流的所有元素的总质量。

混合分数的范围为 0（对于纯氧化剂流）到 1（对于纯燃料流）。

Mole Fraction

组分   的摩尔分数    由该组分在混合物中占据的摩尔数  除以混合物中所有组分的摩尔总数  给出：

其中：

Molecular Weight

组分  的分子量由其所含元素  的原子量之和，按照组分  中元素  的数量加权得到。

例如，氢分子 H2（由两个氢原子组成）的分子量是氢原子 H 的两倍。

分子量还可以根据组分的给定混合物计算得出：

其中，   为组分  的摩尔数，    为组分  的质量。

Mean Molecular Weight

混合物平均分子量定义为：

其中  为混合物的总质量，  为混合物的总摩尔数。

Reaction Front (Flame Front)

在火焰中发生反应的位置称为火焰前缘或反应前锋。一般通过监测OH（一种中间组分）的浓度来确定火焰前缘的位置。

Scalar Dissipation Rate

标量耗散率    是（湍流引起的）标量变量波动的耗散率。标量耗散率的计算公式为：

其中  为有效扩散系数，  为湍流时间尺度。

火焰温度在很大程度上取决于标量耗散率--最大火焰温度随着标量耗散率的增加而降低。因此，较高的标量耗散率会导致火焰熄灭。在模拟湍流非预混合燃烧时，燃烧器入口喷嘴附近的标量耗散率最高（速度较高）。喷嘴附近的火焰熄灭会导致湍流火焰升起。

Stoichiometric Coefficient

组分  的化学计量系数  定义为参与反应  的组分摩尔数。例如，对于涉及两个反应的系统，

各组分的化学计量系数为：

如反应1中每消耗一摩尔 CH4 ，就会产生两摩尔H2O 。

（完）