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基于自定义反应速率的甲烷水蒸气重整反应

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正文共： 4663字 14图预计阅读时间： 12分钟

1 前言

春节快到了，今天是年前最后一更，提前祝大家龙年大吉。

之前的案例我们说过，如果反应速率不能用FLUENT的标准阿累尼乌斯形式来定义，那么只能以用户自定义形式了。先前我们做过两个UDF定义反应速率的案例，感兴趣的读者可以在历史消息搜索关键字查看。采用DEFINE_VR_RATE这个宏来定义速率更容易，我们只需要将动力学方程用UDF表达出来即可。今天，我们做一个这样的案例。

友情提醒：今天的案例算是化学反应模拟进阶版，在阅读本案例前，建议读者先阅读之前的几个化学反应速率的案例。

2 建模与网格

创建如下的二维轴对称反应器，长100mm，内径10.7mm。

3 反应式及动力学方程

应用范围最广的甲烷水蒸气重整反应式及动力学方程如下，参考之前的案例，我们首先需要将反应速率单位kmol/kg-h换算为FLUENT的标准kmol/m3-s。这就需要反应器的催化剂质量以及反应器的体积（即计算域的体积），我们假定催化剂的质量为0.4g，而反应器的体积可根据上述二维模型尺寸计算而得。

3 边界条件与求解设置

定义混合物物性以及组分构成，注意各个组分的顺序要明确，因为反应速率的UDF有指针通过索引编号指向各个组分。

定义反应式，注意指前因子、活化能、温度指数和速率指数都可以随意设定，因为通过UDF定义速率后，这些参数不起作用了。当然，反应的化学计量数是必须的了，因为各个组分的反应速率关系就等于化学计量数的关系。

通常反应器内部流动是层流流动，也可以通过雷诺数来判断，本案例我们采用层流模型。

反应器入口设置为质量流量入口，流量9.73e-6kg/s，温度673K，水碳比3.0。

出口为压力出口，表压0Pa。

壁面为恒温边界，温度900K。

反应器工作压力10bar，通过操作压力来定义，因为混合物密度采用不可压缩理想气体模型，因此密度由操作压力、气体常数以及温度确定。该模型的使用条件是，压力对密度的影响可以忽略，对应于本反应器也就是流动压损相比工作压力非常小。

编译反应速率UDF，并通过外挂调用。

可以从入口进行初始化，但是要特别注意，各个组分都给定一个非零初始值，为什么呢，一方面是为了启动反应（FLUENT的有限速率模型在初始化时会自动给生成物以0.01的质量分数），另一方面从上述动力学方程可以看出，有些组分的分压出现在分母处，如果质量分数为0，那么分压为零，则会造成计算奇异而报错。

4 计算结果

先看一下三个反应的反应速率云图，可以看出三个自定义反应速率都被调用计算了。

再检查一下质量和能量守恒性，守恒良好。

最后看一下反应器中心线各个组分的摩尔分数，符合实际情况。

来源：仿真与工程

Fluent 化学 UDF

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首次发布时间：2024-03-03

最近编辑：8月前

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1条评论

签名征集中

7月前

您好，请问这个反应中，催化剂的作用只通过UDF控制反应速率实现吗？需要添加多孔介质吗？

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