电化学反应｜02 Fluent设置

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了在Fluent中启用电化学反应模型的一般流程，包括电化学反应的定义、输入参数、步骤以及相关设置。其中，电化学反应通常发生在电解液和电极接触的壁面上，可以包含多个反应机理。在Fluent中，可以为不同的壁面指定不同的反应机理，并且每种反应机理可以包含有多个电化学反应。在启用电化学反应模型时，需要定义混合物的材料属性、电化学反应、计算区域的属性以及相关壁面边界的电化学边界条件。此外，还可以在能量方程、连续方程以及组分输运方程中包含额外的源项。在求解控制中，可以禁用Flow方程和Energy方程以提高计算稳定性。最后，在电化学反应的求解中，可以降低Faradaic Interface Current的欠松弛系数以提高计算稳定性。

本文介绍在Fluent中启用电化学反应模型的一般流程。

注：本文内容取自Fluent User Guide。

1 电化学反应

电化学反应通常发生在电解液和电极接触的壁面上。液体与固体都可以参与电化学反应，参与电化学反应的固体物质常被腐蚀或发生沉积。电化学反应速率通常根据壁面单位表面积来定义和计算，而液相体积反应则根据单位体积来计算。在Fluent中可以为不同的壁面指定不同的反应机理，并且每种反应机理可以包含有多个电化学反应。

2 电化学反应的输入参数

在你的问题中加入电化学反应的步骤如下

• Step 1：对于瞬态模拟，从General任务页中选择Transient
• Step 2：鼠标双击模型树节点Models → Species Models打开组分输运模型设置对话框，如下图所示，激活选项Species Transport，选中选项Volumetric及Electrochemical激活电化学反应模型

• Step 3：创建或复 制材料介质

• 新建或从材料库中添加材料。在复 制组分(包括腐蚀和沉积的固体组分)时，请确保在Fluent Database Materials对话框中的Material Type中选择Fluid。在化学反应中没必要体现电子，因此可以忽略。
• 对于新建的组分，在属性对话框中设置Charge Number。默认情况下所有组分的电荷数被设置为0，意味着该组分为中性。确保设置所有相关组分的电荷数。对于单独组分，通常不需要设定其Electrical Conductivity，然而需要设置混合物的电导率。

• Step 4：定义混合物的材料属性

• 删除不使用的组分，并将电化学组分添加到所述的Selected Species中
• 如果固体物质参与了电化学反应(例如腐蚀或电镀模拟)，将这些组分添加到Selected Solid Species中

• Step 5：定义电化学反应。对于每一个反应，需要进行以下设置

• 选择Reaction Type为Electrochemical
• 默认情况下软件选择使用Butler-Volmer方法，若想要使用Tafel方法，可以选择选项Tafel Parameters
• 指定Butler-Volmer或Tafel参数。若选择使用Butler-Volumer，需要输入Anodic Transfer Coefficient（对应着理论公式中的）、Cathodic Transfer Coefficient（对应理论公式中的）；若选择使用Tafel Parameter，则输入Anodic Tafel Slope（对应理论公式中的）、Cathodic Tafel Slope（对应理论公式中的），Exchange Current Density（对应理论公式中的）、Equilibrium Potential（对应理论公式中的）
• 指定每种组分的dimension power（理论公式中的）作为参数Rate Exponent
• 在Butler-Volmer/Tafel Parameters下方，点击Specify Reference Mass Fractions... 按钮并在打开的Reference Mass Fractions对话框中，输入参考组分的质量分数（理论公式��的）

注：可以使用UDF宏DEFINE_EC_KINETICS_PARAMETER定义Butler-Volmer参数；利用DEFINE_EC_RATE定义反应速率。

• Step 6：使用 Reaction Mechanisms对话框定义反应机制。(点击Create/Edit Materials对话框的Mechanism旁边的 Edit按钮打开)
• 指定Number of Mechanisms
• 对于每一种电化学反应机理，指定Mechanism ID，选择Reaction Type为Electrochemical，在Reactions列表框中，选择电化学反应

• Step 7：在Create/Edit Materials对话框中，指定混合物其他属性，如Density（通常选择weighted-mixing-law）、Mass Diffusivity以及Electrical Conductivity等

• Step 8：设置计算区域的属性

• 在Fluid对话框中，通过选择或清除Electrolyte复选框指定所选区域是否为电解液区域。默认情况下，所有流体区域都是电解质区域
• 若计算区域中没有体积反应，则清除Reaction复选框

• Step 9：设置相关壁面边界的电化学边界条件。电化学反应既可以定义为外壁面，也可以定义在只有一面暴露于电解液的内壁面上。在Wall对话框中，设置以下参数

• 对于外部（单侧）壁面，设置边界的电势
• 通过选择选项Electrochemical Reaction来指定壁面是否为Faradaic壁面
• 对于Faradaic壁面，可以从Reaction Mechanism下拉框中选择相应的电化学反应机理
• 若壁面上的电化学反应机理已经定义，则可以通过选择选项Faradaic  Heat在能量方程中包含电化学产生的热量

注：对于双侧壁面，只需要指定一侧壁面的电势边界条件即可，软件会将设置的参数自动复 制到另一侧壁面边界上去。

• Step 10：若有必要，也可以在能量方程、连续方程以及组分输运方程中包含额外的源项
• Step 11：求解控制。在许多电化学应用中，流体的对流可以忽略，在这种情况下，可以在Equations对话框中禁用Flow方程。同样的，在一些等温模拟中，也可以禁用Energy方程。

注：若电势方程收敛困难，可以在Solution Controls任务页中降低Faradaic Interface Current亚松弛因子以提高计算稳定性。

• Step 12：当计算收敛后，可以在后处理查看以下变量
• Electric Potential
• Electric Conductivity
• Faradaic Current Density
• Total Surface Corrosion Rate
• Electrode Surface Potential
• Current Density
• Joule Heat Source
• Faradaic Heat Source
• Total Echem Heat Source
• Echem Reaction Rate
• Surface Corrosion Rate

3 在能量方程中包含电化学反应

当电化学反应模型被激活后，可以在能量方程中添加两个源项：

• 焦耳热

可以在Electric Potential对话框中选择选项Include Joule Heating in Energy Equation以包含焦耳热。

• 电化学反应热

可以通过在边界条件对话框中选择选项Faradaic Heat选项以包含电化学反应热。

4 组分输运方程中加入电化学反应效应

当电化学反应模型启用时，可以在离子组分的组分传输方程中指定一个额外的源：

• 电场中的组分迁移

可以在组分模型对话框中激活选项Species Migration来实现。

5 连续方程中包含质量传递

当固体物质(腐蚀或沉积)参与电化学反应时，固体物质可以进入或离开流动域。通常固体的传质量很小，在连续性方程中可以忽略不计。但是，如果需要，可以使用以下Scheme命令将质量源包含在连续性方程中：

(rpsetvar ‘potential/corrosion-source-in-continuity? #t)

6 电化学反应的求解

电场与组分之间的强非线性耦合会导致收敛问题。为了提高计算求解的稳定性，可以降低 Faradaic Interface Current 的欠松弛系数。

另外，也可以先禁用选项Include Joule Heating in Energy Equation及Faradaic Heat进行计算，待计算稳定后再开启这两个选项。