-
导入网格
2
定义求解器
3
开启能量方程
4
操作工况参数
operating
conditions
1
操作压力的介绍
关于参考压力的设定
，首先需了解有关压力的一些定义。
ANSYS
FLUENT
中有以下几个压力，即
Static
Pressure
（静压）
、
Dynamic
Pressure
（动压）与
Total
Pressure
（总压）
；
Absolute
Pressure
（绝对压力）
、
Relative
Pressure
（参考压力）与
Operating
Pressure
（操作压力）
。
这些压力间的关系为，
Total
Pressure
（总压）
=Static
Pressure
（静压）
+Dynamic Pressur
e
（动压）
；
Absolute
Pressure
（绝对压力）
=Oper
ating
Pressure
（操作压力）
< br>+Gauge
Pressure
（表
< br>压）
。
其中，静压、动压和总
压是流体力学中关于压力的概念。静压是测量到的压力，动压是有关速度
动能的压力，是
流动速度能量的体现。
而绝对压力、操作压力和表压是
FLUENT
引入的压力参考量，在
ANSY
S
FLUENT
中，
所有设定的压<
/p>
力都默认为表压
。这是考虑到计算精度的问题。
< br>
2
操作压力的设定
设定操作压力时需要注意的事项如下：
对于不可压缩理想气体的流动，操作压力的设定直接影响流体
密度的计算，因为对于理想气
体而言，流动的密度由理想气体方程获得，理想气体方程中
的压力为操作压力。
对于低马赫数
的可压缩流动而言，相比绝对静压，总压降是很小的，因此其计算精度很容易
受到数值截
断误差的影响。需要采取措施来避免此误差的形成，
ANSYS
FLUENT
通过采用表压
（由绝对压力减去操作压力）的形
式来避免截断误差的形成，操作压力一般等于流场中的平
均总压。
对于高马赫数可压缩流动的求解而言，因为此时的压力比
低马赫可压缩流动的大得多，所以
求解过程中的截断误差的影响不大，可以不设定表压。
由于
ANSYS
FLUENT
中所有
需输入的压
力都为表压，因此此时可以将操作压力设定为
0
（这样可以最小化由于压力脉动而引起的误
差）
，使表压与绝对压力相等。
如
果密度设定为常数或者其值由通过温度变化的函数获得，操作压力并没有在计算密度的过
程中被使用。
默认的操作压力为<
/p>
101325Pa
。
< br>操作压力的设定主要基于两点考虑，一是流动马赫数的大小，二是密度计算方法。
表格
1
操作压力的推荐设置
密度关系式
理想气体定律
理想气体定律
关于温度的函数
常数
不可压缩的理想气
体
马赫数
大于
小于
不可压缩
不可压缩
不可压缩
操作压力
0
或约等于流场的平均压力
约等于流场的平均压力
不使用
不使用
约等于流场的平均压力
3
关于参考压力位置的设定
对于不涉及任何压力边界条件的不可压缩流动，
ANSYS <
/p>
FLUENT
在每次迭代后要调整表压值。这个
< br>过程通过使用参考压力位置处（或该位置附近）节点的压力完成。因此，参考压力位置处的表压应一
直为
0
。如果使用了压力边界条件，则不会使
用到上述关系，因此参考压力位置不被使用。
参考压力位置默
认为等于或接近（
0
，
0
，
0
）的节点中心位置。实际计算中可能需要设置参
考压
力位置到绝对静压已知的位置处。在
Operating
Conditions
对话框中的
Reference
Pressure
Location
选项组中设置新的参考压
力位置的
x
，
y
，
z
的坐标即可。
如果要考虑某一方向的加速度，如重力，可以勾选
Gravity
复选框。
对于
VOF
计算，应当选择
Specified Operating
Density
，并且在
Operating Density
下为最轻
相设置密度。这样做排除了水力静压的积累，提高了<
/p>
round-
off
精度为动量平衡。同样需要打开
Implicit Body Force
，部分平衡压力梯度
和动量方程中体积力，提高解的收敛性。
Reference
Pressure Location
（参考压强位置）应是位于流体永远是
100%
的某一相（空气）的
区域，光滑和快速收
敛是其基本条件。
单击<
/p>
Define
→
Operating
Conditions
。在
Operating
Pressure
中输入
10000 Pa
，选中重力
Gravity
，在
Z
中输入
m/s2
，
Operating
Temperature
输入
303 K
，点击
OK
确认。
5
定义多组分模型
（
< br>1
）在
Model
（模型）中选
择
Species
Transport
（组元输运）
。
（
2
）在
Re
actions
（反应）中选择
Volumetric
Reactions
（体积反应）
。
（
3
）在
Mi
xture Material
（混合物材料）中选择所计算问题中涉及到的反应物，
则
Number
of
Volumetric Species
（体积组元数量）中
自
动显示
混合物中的组元数量。
（
4
）在
Turbulence-
Chemistry
Interaction
（湍流与化学反
应相干模型）中根据需要选择相应的模
型。如果选择了
Eddy
-Dissipation Concept
(EDC)
，则可以进一步修改
Volume
Fraction
Constant
（体积浓度常数）和
Time Scale
Constant
（时间尺度常数）
（
6
）如果想
完整计算多组分的扩散或
热扩散
，
就选中
Full Multicomponent Diffu
sion
（完整多组
分扩散）和
The
rmal Diffusion
（热扩散）选项。
在上面的设置过程中，如果需要查看混合物中组分和化学反应的相关设置，可以在
< br>Species
（组
元）面板中，点击
< br>Mixture Material
（混合物材料）右边的
View
（观看）按钮。如果计算中用到的
混合物模型是一种
新的混合物，则需要在
Material
（材料）面板中创建混
合物，然后再将新定义的
混合物选作计算用的混合物。
混合物的定义过程包含组分选取、反应模型设定、反应机制设定等几个步骤，下面逐一介绍。<
/p>
层流条件下，
Model
模型中只能选择
Species
Transpo
rt
组元运输一项。
Turbulence-
Chemistry
Interaction
（湍流与化学反
应相干模型）中也只有一项。
<
/p>
在
Models
中选中
< br>Species
Transport
单选按钮，
在
Reactions
中选中
Volumetric
和
Wall
surface
复选框，在
Wall
Surface Reaction
Options
中选中
Mass Deposition So
urce
复选框，在
Options
中
选择
Inlet Diffusion, Full Multicomponent
Diffusion
，
Thermal Diffusion
复选框，单击
OK
按钮确认。
6
设置材料
1)
添加砷化氢
arsine
1
，双击
air
2
，
在
name
< br>中输入
arsine
和
chem
ical
formula
处输入
as
h3
；
比热容
cp
选择
kinetic-theory
；
导热系数
thermal
conductivity
选择
kinetic-theory
；粘度
viscosity
选择
kineti
c-theory
；分子
量
molec
ular weight
选择
constant
为；标准状态焓
standard state enthalpy
为
0
；标准状态熵
sta
ndard state
entropy
为；基准温度
reference
temperature
为。
3
，点击
change/create
，创建
新物质，在弹出的是否覆盖选择
no
。
4
，双击
a
rsine
在
L-J
characteristic Length
特征长度输入
（埃米）
；
L-J Energy P
arameter
能量参数中
输入。单击
Change/Create
按钮。
2)
添加三乙基镓、甲基、氢气、镓
（固体）
、砷（固体）
、镓、砷
参数
Name
Ga(CH_3)_
三乙基镓
tmg
3CH_3
甲基
ch3g
ch3
kinetic-
the
ory
kinetic-
the
ory
kinetic-
the
ory
15
+07
H_2
氢气
hydro-gen
h2
kinetic-
the
ory
kinetic-
the
ory
kinetic-
the
ory
0
Ga_
s
镓
ga_
s
ga_
s
As_
s
砷
as_
s
as_
s
Ga
镓（固）
ga
ga
kinetic-
the
ory
kinetic-
the
ory
0
As
砷（固）
as
as
kinetic-
the
ory
kinetic-
the
ory
0
Chemical
gach33
Formula
CP(specific
kinetic-
the
heat)
ory
Thermal
kinetic-
the
conductivit
ory
y
kinetic-
the
Viscosity
ory
Molecular
weight
Standard
state
0
enthalpy
Standard
state
entropy
reference
temperature
L-J
characteris
tic
Length
L-J Energy
398
Parameter
Degree
of
0
freedom
0
5
-
-
-
-
-
-
0
0
0
-
0
0
0
-
7
编辑组信息
1
，
修改组命名
双击
mixture-temple
，
name
中输入
gaas_depos
ition
。单击
change
，点击
yes
确认。
2
，
编辑组分信息
在
mixture
species
中
组分选取
首先进入
Materials
（材料
）面板：
Define->Materials...
在
Materials
（
材料）
面板上，
先在
N
ame
（名称）
中为新的混合物确定一个名称，
然后在
Material
Type
（材料类型）
里选择
mixture
（混合物）
。
如果有与目标相近的混合物模型，
可以在下面的
Mixture
Mater
ial
（混合物材料）中选择一样，比如
methane-
air
（甲烷－空气）
，然后在下面
Properties
（性能）中做详细设置，即按顺序设置组元、反应类型、反应机制
等等：
（
1
）点击
Mixture
Species
（混合物组元）右边的
Edit
（编辑）按钮进入
Species
（组元）面
板，如图
7-11
所示。在
Mixture
（混合物）下面有
4
个框，即
Available
Ma
terials
（可用材料）
，
Selected
Species
（
已选组元）
，
Selected
Site
Species
（已选吸收
组元）
和
Seleted
Solid
Species
（已选固
体组元）
。
Available <
/p>
Materials
（可用材料）是指材料数据库中可供选用的材
料；
Selected
Species
< br>（已
选组元）是指当前混合物中已经选中的组元；
Selected
Site
Species
（已选吸收组元）是指在存在
物面反应的计算中，气相混合物中即将通过反应被
物面吸收的组元；
Selected Solid Species
< br>（已
选固体组元）是指物面反应计算中将从物面进入气流的组元。显然，如果不存
在物面反应，则不用考
虑后面两个方框中的内容，整个设置过程会大大简化。
组元设置的中心任务是选择混合物组元，即设定
Selected Species
（已选组元）的内容。在
Materials
（材料）面板中，点击
Database...
（数据库）按钮打开
Database
Materials
（数据库中
材料）
面板，
拷贝所需的组元后，
再回到
Species
（组元）
面板。
在拷贝之前，
需要确认
Material
Type
（材料类型）必须是
flu
id
（流体）
。这里不必担心如何添加物面反应中参与反应的固
体组元，因为
实际上这些组元也会出现在
fluid
（流体）的列表中。
在
Selected Species
（已选组元）中，最后一项必须是质量浓度最大的一个组元
。如果最后一
项不是质量浓度最大的一项，
可以先将质量浓度最大的组元从方框中删除，<
/p>
然后再重新添加进来，
以
保证这个组元处
于方框的底部。添加和删除操作是通过选择相应的组元，然后点击
Add
（添加）和
Remove
（删除）按钮实现的。
本例中点击
mixture species
< br>旁单击
edit
按钮弹出
spe
cies
（组分）对话框
，调整各类型组分
Selected Species
Selected Site Species
Seleted Solid Species
ash3
ga_s
ga
ga(ch3)3
as_s
as
注：这里需要设置好
selected
species
的排列顺序，在后面边界条件设置中
velocity inlet
中
species
体现的三个组分，是按顺序排列的前三个
ch3
h2
化学反应设定
组元设置完成后，
就可以开始设置组元间的化学反应。
在
M
aterials
（材料）
面板中，
R
eactions
（反应）
下拉列表中显示的反应类型取决于<
/p>
Species
Modal
（
组元模型）
面板中
Turbulence-
Chemistry
Interaction
（湍流－化学反
应相干）模型的设置——如果设置的是
Laminar Finite-
Rate
（层流有
限速率）模型或
EDC
模型，则反应类型显示为
finite-
rate
（有限速率）
；
如果设置的是
Eddy-
Dissipation
（涡耗散）模型，
则反应类型显示为
eddy-dissipation
（涡耗散）
；如果设置的
是
< br>
Finite-Rate/Eddy-Dissipation
（
有
限
速
率
/
涡
耗
散
）
模
型
，<
/p>
则
反
应
类
型
显
示
为
finite-rate/eddy-dissipation
（有限速率
/
涡耗散）
。
点击右端的
Edit
（编辑）
按钮进入
Reactions
（反应）面板（如图
7-13
所示）
，在
Reactions
（反应）面板中完成对化学反应模型的设置。
化学反应的设置主要包括下列几项内容：
1
）在
Total Number
of
Reactions
（总的反应数量）中设定总的反应数量；
2
）在
Reaction
Name
（反应名称）中指定反应名称；
3
）在
Reaction
ID
（反应编号）中指定每个反应的编号；
4
）
在
Reaction
Type
（反应类型）
中指定反应类型，
即指定反应类型为
Volumetric
（体积）
、
Wall
Surface
（物面）或
Particle
Surface
（颗粒表面）
；
5
）在
Number of
Reactants
（反应物数量）和
Number of
Products
（生成物数量）中指定反应
的反应物数量和生
成物数量。
然后在
Species
（
组元）
下拉菜单中选择反应物和生成物，
并在
< br> Stoich.
Coefficient
（反应系数
）中设定组元在指定反应方程中的系数。在
Rate Exponent
（速率指数）中
设定组元的速率指数，即组元生成速率方程中指定反应方程中
摩尔浓度项的指数。
6
）如果在
Species
Modal
（组元模型）面板的
Turbulence-Chemistry
Interaction
（湍流－反
应相干模型）中选择的是
laminar
finite-
rate
（层流有限速率）
、
finite-rate/eddy-dissipation
（有限速率
/
涡扩散）
或
EDC
模型时，
则需要根据反应模型设置
Arrhenius
Rate
（
Arrhenius
速率）
下面的选项。由于篇幅所限，这里
不再详述。
7
）根据实际反应过程，确定是否选择
Include Backward
Reaction
（包含逆向反应）选项。
8
）如果使用
eddy-
dissipation
（涡扩散）或
finite-
rate/eddy-dissipation
（有限速率
/<
/p>
涡扩
散）模型，则还需要设定
Mixing
Rate
（混合速率）
。
9
）重复
2
）～
8
）步直到设置完所有反应，然后点击
OK
按钮完成全部设定过程。
反应模型设定
在区域上定义反应机制
本例中，在
Reaction
旁单击
edit
按钮，在
Reaction
对话框，
Number of Reactants
中
输入
2
，
化学反应输入数据如下表。<
/p>
参数
反应一
反应二
Reaction
name
gallium-dep
Arsenic-dep
Reaction ID
1
2
Reaction type
Wall surface
Wall
surface
Number of
reactants
2
2
Species
ash3
，
ga_s
gach3
3
，
as_s
Stoich. Coefficient
< br>ash3=1
，
ga_s=1
gach33=1
，
as_s=1
Rate exponent
ash3=1
，
ga_s=1
< br>
gach33=1
，
as_s
=1
Arrhenius Rate
PEF=1e+06
，
AE=0
，
TE=
PEF=
1e+12
，
AE=0
，
TE=
Number of
products
3
3
Species
ga
，
as_s
，
h2
as
，
ga_s
，
ch3
Stoich. Coefficient
< br>ga=1
，
as_s=1
，
h2=
as=1
，
ga_s=1
，
ch3=3
Rate exponent
as_s=0
，
h2=0
ga_s=0
，
ch3=0
PEF=Pre-Exponential
Factor
，
AE=Activation
Energy
，
TE=Temperature
Exponent
反应机制设定
FLUENT
中提到的“反应机制（
reaction mechanis
ms
）
”指的是局限在特定区域中的化学反应。
“反应机制”中涉及的反应是前面设定的化学反应的子集。在
Materials
（材料）面板中，点击
Mechanisms
（机制）旁边的
Edit
（编辑）按钮，可以打开
Reaction
Mechanisms
（反应机制）面板，
如
图
7-14
所示。具体步骤如下：
1
、在
Number of
Mechanisms
（反应机制数量）中设定反应的数量。
2
、设定
Mechanisms
ID
（反应机制编号）
。
3
、设定
Name
（名称）
。
4
、在
Reaction Type
（反应类型）中设定反应类型。在反应类型确定后，属于这个类型的反应
就会出现在
Reactions
（反应）列表中。
5
、选定反应机制中包含的反应。如果选定的反应类型是
Wall
Surface
（壁面反应）并且其中包
含吸收反应，
则还需要对吸收反应进行专门的设定，
即设定
Number
of
Si
tes
（吸收反应数量）
、
Site
Name
（吸收反应名称）
、
Site
Density
（吸收密度）
，点击
Define
（定义）按钮还可以
进一步选定吸
收反应中的被吸收组元和被吸收组元的
Initial Site Coverage
（初始吸收覆盖率）等参数。
本例中，在
mechanism
旁单击
Edit
按钮弹出，
reaction
mechanisms
对话框。在
Number of
Mechanisms
中输入
1
，
Name
中输入
gaas-ald
，
Reaction
Type
选择
Wall Surface
，
Reactions
中选
择
gallium-dep
和
arsenic-
dep
，
Number of Sites
中输入
1
，
Site Densi
ty
中输入
1e-08
。
单击
define
按钮，
在
Site
< br>parameters
对话框，
Total
Number
of
Site
Species
中输入
2
< br>，
Initial
Site Coverage
中
ga_s
输入，
a
s_s
输入。单击
Apply
确认。<
/p>
在导热性
thermal conductivity
选
择
mass-weighted-
mixing-law
，粘度
viscosity
选择
mass-weighted-mixing-
law
。
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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