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导入网格
2
定义求解器
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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<
/p>
（总压）
；
Absolute Pres
sure
（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）
=Operating
Pressure
（操作压力）
+Gauge
Pressure
（表压）
。
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
ANSYS FLUENT
中，
所有设定的压
力都默认为表压
。这是考虑到计算精度的问题。<
/p>
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
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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。
< br>
?
默认的操作压力为
101325Pa
。
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
0.1
小于
0.1
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 F
LUENT
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
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%
< br>的某一相
（空气）
的区域，
光滑
和快速收敛是其基本条件。
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单击
Define
< br>→
Operating
Conditions
。在
Operating
Pressure
中输入
10000 Pa
，选中重力
Gravity
，
在<
/p>
Z
中输入
9.81
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 Specie
s
（体积组元数量）中
自动显示
混合物
中的组元数量。
（
4
）在
Turbulence-Chemistry
I
nteraction
（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。
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层流条件下，
Model
模型中只能选择
Species
Transport
组元运输一项。
Turbulence-Chemistry
Interactio
n
（湍流与化学反应相干模型）中也只有一项。
在
Mod
els
中选中
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
Source
复选框，在
Options
中选择
In
let
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
中输入
arsine
和
chemical
formula
处输入
ash3
；比热容
cp
选择
kinetic
-theory
；导
热系数
therm
al
conductivity
选择
kinetic-theory
；粘度
viscosity
选择
kinetic-
theory
；分子量
molecular
< br>weight
选择
constant
为
77.95
；标准状态焓
sta
ndard
state
enthalpy
< br>为
0
；标准状态熵
standa
rd
state
entropy
为
130579.1
；基准温度
refe
rence temperature
为
298.15
。
3
，点击
change/create
，创建新物质，在弹出的是否覆盖选择
no
。
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4
，双击
arsine
在
L-J characteristic
Length
特征长度输入
4.145
（埃米）
；
L-J Energy P
arameter
能量参数中输入
259.8
< br>。单击
Change/Create
按钮。
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2)
添加三乙基镓、甲基、氢气、镓
（固体）
、砷（固体）
、镓、砷
Ga(CH_3)_
3CH_3
H_2
Ga_s
As_s
Ga
参数
三乙基镓
甲基
氢气
镓
砷
镓（固）
Name
tmg
ch3g
hydro-
gen
ga_s
as_s
ga
Chemical
gach33
ch3
h2
ga_s
as_s
ga
Formula
CP(specific
kinetic-
theo
kinetic-theo
kinetic-
theo
520.64
520.64
1006.43
heat)
ry
ry
ry
Thermal
kinetic-theo
kinetic-
theo
kinetic-theo
kinetic-
theo
conductivit
0.0158
0.0158
ry
ry
ry
ry
y
kinetic-theo
kinetic-
theo
kinetic-theo
2.125e-0
2.125e-0
kinetic-
theo
Viscosity
ry
ry
ry
5
5
ry
Molecular
114.83
15
2.02
69.72
74.92
69.72
weight
Standard
state
0
2.044e+07
0
3117.71
3117.71
0
enthalpy
Standard
154719.
1
54719.
state
130579.1
257367.6
130579.1
0
3
3
entropy
reference
temperatur
298.15
298.15
298.15
298.15
298.15
298.15
e
L-J
characterist
5.68
3.758
2.827
-
-
0
ic Length
L-J Energy
398
148.6
59.7
-
-
0
Parameter
Degree of
0
0
5
-
-
-
freedom
As
砷（固）
as
as
1006.43
kinetic-theo
ry
kinetic-theo
ry
74.92
0
0
298.15
0
0
-
7
编辑组信息
1
，
2
，
修改组命名
双击
mixture-temple
，
name
中输入
gaas_depos
ition
。单击
change
，点击
yes
确认。
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3
，
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
Mat
erials
（材料）
面板上，
先在<
/p>
Name
（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
Material
（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
M
ixture
（混合物）
下面有
4
个框，
即
Available
Materials
（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 Materials
< br>（可用材料）是指材料数据库中可供选用的材料；
Selected Species
（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<
/p>
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<
/p>
Materials
（材料）面板中，
点击
Database...
（数据
库）按钮打开
Database
M
aterials
（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
fluid
（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<
/p>
。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，
然后再重新添加进来，
< br>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。
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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
ch3
h2
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
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
Materials
（材料）面板中，
Re
actions
（反应）下拉列表中显示的反应类型取决于
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
Finite-Rate/Eddy-Dissipation
（有限速率
/
涡耗散）模型，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
。
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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
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
< br>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
/
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
gach33
，
as_s
Stoich. Coefficient
ash3=1
，
ga_s=1
gach33=1
，
as_s=1
Rate exponent
ash3=1
，
ga_s=1
gach33=1
，
as_s=1
Arrhenius Rate
PEF=1e+06
，
AE=0
，
TE=0
.5
PEF=1e+12
，
AE=0
，
TE=0.5
Number of
products
3
3
Species
ga
，
as_s
，
h2
as
，
ga_s
，
ch
3
Stoich. Coefficient
ga=1
，
as_s=1
，
h2=1.5
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
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反应机制设定
FLUENT
中提到的
“反应机制
（
reaction mechanisms
）
”
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
N
ame
（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，<
/p>
即设定
Number of Site
s
（
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。
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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
paramete
rs
对话框，
Total
Number
of
Site
Species
中输入
2
< br>，
Initial
Site
Coverage
中
ga_s
输入
0.7
，
as_s
输入
0.3
。单击
Apply
确认。
在
导
热
性
thermal
conductivi
ty
选
择
mass-
weighted-mixing-law
，
粘
度
viscosity
选
择<
/p>
mass-weighted-mixing-
law
。
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