反应速率的UDF实现与软件自带结果对比（一）

9月前浏览10760

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1 前言

前期推送了多个关于燃烧和化学反应的案例，从应用范围来讲，通用有限速率模型适应更多的应用场景。比如在氢能行业，关于燃料电池电化学的模拟、关于重整制氢的模拟等等，就需要考虑详细的化学反应。因此，我们觉得有必要对详细化学反应的模拟做一些更深入的探讨，接下来我们以一个具体的例子，先来看看FLUENT自身模型求解详细化学反应的关键内容，然后用UDF来模拟化学反应并与软件自身计算结果进行对比，以便获得更深刻认识，今天我们先进行第一个环节。

2 反应案例

我们考虑以下的化学反应，这是甲烷蒸汽重整制氢的反应之一，反应焓等于摩尔加权的反应物和生成物的生成焓之差，本反应的反应焓为正直，说明是一个吸热反应。

FLUENT材料物性的标准状态焓就是材料的生成焓，单位为J/kmol，因此本反应的反应焓转化为FLUENT的反应焓就是206.3×10⁶J/kmol。这个反应的字面理解就是每消耗1kmol的CH4或者每消耗1kmol的H2O或者每生成1kmol的CO或者每生成3kmol的H2，需要吸收206.3×10⁶J的能量。当然，也可以理解为每消耗1/3kmol的CH4或者每消耗1/3kmol的H2O或者每生成1/3kmol的CO或者每生成1kmol的H2，需要吸收1/3×206.3×10⁶J的能量，也即是前文所述的反应焓是摩尔加权计算结果，注意数值上一定要对应。通用有限速率模型中，FLUENT通过在能量方程中增加由于化学反应产生的源项来计算反应热，式5.10中各项的单位为S_h,rxn:W/m3，h_j:J/kmol、Mj:kg/kmol、R_j:kg/m³s。

该式也等效于ΔH(J/kmol)×R(kmol/m³s)。

我们假定反应速率如下，反应速率式的各个变量、各个指数的单位与FLUENT的单位吻合。另外，根据反应式，我们可以得出各个组分的摩尔速率关系为：r_CH4=r_H2O=r_CO=r_I，r_H2=3r_I。也就是各组分摩尔速率之比就等于化学计量数之比，这是化学反应基本常识。

在化学反应实验中，通常是得出某个物质的反应速率，也就得到了整个反应以及其他物质的反应速率。FLUENT通过反应摩尔速率式乘以各反应组分的化学计量数，等到该组分的反应摩尔速率，注意反应物的速率为负（表示消耗）、生成物的速率为正（表示生成）。

根据上面的反应速率式，在FLUENT中输入对应的参数。

我们设定反应入口的组分为H2O和CH4，并且摩尔比重为0.6和0.4。其他的相关设置我们就不再细说了，读者朋友可以参考以前的案例。这里需要指出的是，为了能够顺利自启动反应，我们给反应入口设定一个高的温度773.15K。

接下来我们对计算结果进行平衡检查。

首先，检查一下质量守恒情况，进出口满足质量守恒，这是最基础的，没有这个平衡，整个模拟计算可执行一票否决。

然后，我们看一下进出口的各组分的质量分数，进出口的质量分数差值乘以上述总的质量流量就得到各组分在本反应中的质量消耗量（反应物）和质量生成量（生成物），单位为kg/s。再除以各组分的摩尔质量（kg/kmol），就得到了摩尔消耗量和摩尔生成量，单位为kmol/s。各物质的摩尔消耗量和摩尔生成量分别为(CH4):1.1884E-08kmol/s、(H2O):1.1893E-08kmol/s、(CO):1.1885E-08kmol/s和(H2):3.5725E-08kmol/s，满足化学反应计量数1:1:1:3的关系。