حل میدان‌های جریان‌های همراه با واکنش شیمیایی با استفاده از نرم افزارهای CFD

Reactive Flow Simulation in CFD Softwares

واکنش شیمایی یک فرآیند انتقال شیمیایی است که در آن گروهی از عناصر و یا ترکیبات شیمیایی به گروه دیگری از عناصر یا ترکیبات شیمیایی تبدیل می‌شوند. در فرآیند انتقال شیمیایی ارتباط اتم‌ها با هم و آرایش الکترونی آن‌ها در ترکیبات شیمیایی تغییر می‌کند. البته در یک واکنش شیمیایی، اتم‌ها نه به‌وجود می‌آیند و نه از بین می‌روند و تنها چیدمان آن عوض می‌شوند. واکنش شیمیایی می‌تواند، همواره با تبادل انرژی به صورت صوت، گرما، و نور باشد گرما، نور یا صوت همراه باشد و یا اینکه تولید رنگ، تشکیل رسو و یا تغییر رنگ را با خود به همراه داشته باشد.

واکنش‌های شیمایی می‌توانند بصورت اکسیداسیون- احیاء یا واکنش اکسایش، ترکیب مستقیم یا واکنش سنتز، تجزیه شیمیایی یا واکنش تجزیه‌ای، واکنش جانشینی یا تک جایگزینی، واکنش جانشینی دوگانه یا واکنش دو جایگزینی، واکنش اسید-باز، احتراق، ایزومری یا همپاری و واکنش هیدرولیز (آبکافت) باشند. اما بطور کلی چهار نوع اصلی واکنش ها عبارتند از: ترکیب مستقیم، واکنش تجزیه‌ای، واکنش جانشینی تک، واکنش جانشینی دوگانه.

در سایت www.020.ir انواع واکنش‌های عنوان شده در بالا معرفی و تشریح شده است.

به جریانی که این فرآیند را در خود داشته باشد، جریان همراه با واکنش شیمایی می‌گویند. جریان‌های همراه با واکنش شیمیایی می‌توانند بصورت پایا، ناپایا، آرام، آشفته، چند فازی، دورانی و غیر نیز باشند. ممکن است واکنش دهنده‌ها قبل از واکنش کاملا باهم مخلوط شده باشند (Premixed) و یا نشده (Non-Premixed) باشند. سرعت واکنش‌ها می‌تواند بسیار کم (مثل زنگ زدن آهن) و یا بسیار زیاد (مثل انفجار) باشند. بطور کلی بسته به نوع جریان و واکنش‌ها، امکانات و روش‌های شبیه‌سازی جریان‌های مرتبط متفاوت خواهد بود.

نرم افزارهای CFD و شبیه سازی میدان‌های جریان‌‌های همراه با واکنش شیمیایی

بسته نرم افزاری ANSYS از نرم افزارهای متنوعی برای شبیه‌سازی جریان‌های همراه با انتقال حرارت استفاده می‌کند. Fluent، CFX، Polyflow، Forte و Chemkin از جمله نرم افزارهایی در خانواده ANSYS هستند که از توانایی شبیه‌سازی جریان‌های همراه با انتقال حرارت برخوردار می‌باشند.

قابلیت نرم افزارهای CFD بسته نرم افزاری ANSYS در شبیه سازی جریان‌های همراه با واکنش شیمیایی.

در ادامه قابلیت‌های دو نرم افزار معروف Ansys Fluent و Ansys CFX که از مدل‌های مختلف و متنوعی برای شبیه سازی جریان‌های همراه با واکنش شیمیایی استفاده می‌کنند، معرفی شده است.

نرم افزار Fluent

نرم افزار Fluent برای شبیه سازی جریان‌های همراه با واکنش شیمیایی از پنج ماژول Species Transport، Non-Premixed Combustion، Premixed Combustion، Partially Premixed Combustion و Combustion PDF Transport استفاده می‌کند. از این ماژول‌هاف تنها ماژول Species Transport برای شبیه‌سازی واکنش‌های شیمیایی در جریان‌های آرام قابل استفاده است و سایر ماژول‌ها صرفا برای شبیه‌سازی جریان‌های آشفته همراه با واکنش شیمیایی توسعه یافته اند. البته قابل ذکر است که ماژول Species Transport برای جریان‌های آشفته نیز به کار گرفته می‌شود.

آموزش مبانی تئوری و مدلسازی احتراق با استفاده از روش Species Transport; Volumetric

ماژول‌های شبیه سازی واکنش شیمیایی در نرم افزار Fluent.

ماژول Species Transport and Finite Rate Chemistry

مدل یاد شده با استفاده از ترم‌های چشمه‌ی جابجایی، انتشار و واکنش برای هر یک از گونه‌های شیمیایی می‌تواند جریان‌های آرام و آشفته متشکل از گونه‌های فوق و واکنش احتمالی بین آن‌ها را شبیه‌سازی کند. این مدل‌ها به کاربران اجازه می‌دهند تا چندین واکنش شیمیایی همزمان که در فاز سیال یا همان واکنش‌های حجمی (Volumetric Reaction)، سطح دیواره (Wall Surface Reactions)، سطح ذرات (Particle Surface Reactions)، نواحی متخلخل (Porous Media Reactions) و همچنین در پدیده‌های الکترو شیمیایی (Electrochemical) اتفاق می‌افتند را مدلسازی کنند (شکل زیر).

گزینه‌های ماژول Species Transport نرم افزار Fluent برای شبیه سازی واکنش‌‌های شیمیایی در جریان‌های آرام و آشفته.

نکته قابل توجه در استفاده این ماژول از نرم افزار Fluent آنست که می‌توان واکنش‌های مرتبط با بیش از 700 گونه شیمیایی را با آن مدل نمود. البته هنگام بکار گیری این مدل با یکی از مدل‌های زیر این تعداد به 50 گونه شیمیایی محدود می‌شود:

Density-based solver

Eulerian PDF Transport model

Melting/solidification model

Crevice model

Thermal diffusivity model

Surface species

Site species

ماژول Non-Premixed Combustion

مدل احتراق غیر پیش آمیخته (Non-Premixed Combustion Model) مخصوص مدلسازی محفظه‌های احتراقی است که در آن یک احتراق غیر پیش آمیخته صورت می‌گیرد. در این حالت سوخت واکسید کننده بطور مجزا و از ورودی‌ها یا نواحی جداگانه وارد محفظه احتراق وارد می‌شوند. این حالت برخلاف احتراق پیش آمیخته (Premixed Combustion) است که در آن واکنش دهنده‌ها قبل از واکنش در سطح ملکولی با یکدیگر مخلوط شده‌اند. موتورهای احتراق داخلی دیزل (diesel internal combustion engines)، کوره‌های زغال پودری (pulverized coal furnaces) و استخرهای آتش (pool fires) نمونه‌هایی از احتراق غیر پیش آمیخته هستند.

ماژول Premixed Combustion

نرم افزار Fluent چندین مدل برای شبیه‌سازی احتراق پیش آمیخته (Premixed Combustion) دارد. همانطور که گفته شد، در احتراق پیش آمیخته سوخت و اکسید کننده قبل از پاشش و در سطح ملکولی با یکدیگر مخلوط می‌شوند. موتورهای احتراق داخلی هوازی، محفظه احتراق توربین‌های گاز و انفجارهای ناشی از نشت گاز از جمله احتراق پیش آمیخته می‌باشند. مدلسازی احتراق پیش آمیخته به مراتب مشکل‌تر از احتراق غیر پیش آمیخته است. دلیل این امر وقوع احتراق در یک لایه نازک و همراه با انتشار شعله طبق کانتور آشفتگی جریان می‌باشد. در جریان‌های زیر صوت، نرخ کلی انتشار شعله براساس سرعت شعله آرام و گردابه‌های آشفته بدست می‌آید. سرعت شعله آرام نیز بر مبنای نرخ تغییر مقدار گونه‌های شیمیایی و انتشار گرما از بالادست به سمت واکنشگرها محاسبه می‌شود. برای مدلسازی شعله آرام، لازمست ساختار داخلی شعله از قبیل فرآیندهای انتقال و انتشار ملکولی و ججزئیات کینتیک شیمیایی حل شود. بخاطر ضخامت بسیار کم شعله که معمولا از مرتبه میلی‌متر و یا کمتر است، حل دقیق شعله غالبا مقرون به صرفه نیست (زمان زیاد و سخت‌افزار پرقدرت می‌طلبد). قابل توجه است در جریان‌های آشفته، شعله تحت تأثیر آشفتگی دچار چین و چروک شده و سرعت مؤثر آن تغییر می‌کند. در واقع گردابه‌های بزرگ شعله را چروک می‌کنند و گردابه‌های بسیار کوچک (کوچکتر از ضخامت شعله) ساختار شعله را تغییر می‌دهند. مدل‌های ماژول Premixed عبارتند از:

C Equation –

Extended Coherent Flame Model –

G Equation –

گزینه‌های ماژول Premixed Combustion نرم افزار Fluent برای شبیه سازی واکنش‌‌های شیمیایی (احتراق پیش آمیخته) در جریان‌های آشفته.

این مدل محدودیت‌هایی نیز دارد که عبارتند از:

-این مدل تنها برای حلگرهای فشارمبنا قابل استفاده است.

-تنها برای حل میدان جریان زیر صوت آشفته قابل اعتماد است.

-شبیه سازی آلودگی همراه با این مدل امکان‌پذیر نیست.

-با این مدل نمی‌توان واکنش شیمیایی (احتراق) ذرات فاز گسسته (بجز Inert Particles) را مدلسازی نمود.

ماژول Partially Premixed Combustion

سیستم‌های احتراق پیش آمیخته (partially Premixed Combustion)، شعله‌های پیش آمیخته‌ای با اختلاط غیر یکنواخت سوخت و اکسید کننده می‌باشند. این سیستم‌ها همچنین با عناوینی نظیر (Partially Premixed Compression Ignition:PPCI) و یا (Gasolin Direct-injection Compression Ignition:GDCI) نیز شناخته می‌شود و در واقع یک فرآیند مدرن احتراقی است که در نظر است تا موتورهای درون سوز خودروها و سایر وسایل موتوری آینده مورد استفاده قرار گیرد.

ماژول Partially Premixed Combustion در نرم افزار Fluent (شکل زیر) برای شبیه سازی چنین سیستم‌هایی از سه تئوری زیر استفاده می‌کند.

Chemical Equilibrium –

Steady Diffusion Flamelet –

Flamelet Generated Manifold:FGM –

دو تئوری Chemical Equilibrium و Steady Diffusion Flamelet تنها با فرض ضخامت بی‌نهایت لاغر جبهه شعله که در آن مواد واکنشگر قبل و محصولات احتراق بلافاصله بعد از جبهه شعله قرار می‌گیرند کار می‌کنند. مدل FGM نیز فرض می‌کند که وضعیت ترموشیمیایی در شعله‌های آشفته شبیه به وضعیت شعله‌های آرام می‌باشد.

گزینه‌های ماژول Partially Premixed Combustion نرم افزار Fluent برای شبیه سازی واکنش‌‌های شیمیایی (احتراق پیش آمیخته جزئی) در جریان‌های آشفته.

همانطور که در شکل بالا مشخص است این ماژول براساس دو مفهوم Non-Premixed و Premixed توسعه یافته است. از این رو محدودیت‌های دو روش فوق همان محدودیت‌های روش Partially Premixed می‌باشد. همچنین مدل FGM تنها به استفاده از فرمولاسیون C-Equation محدود می‌شود.

ماژول Combustion PDF Transport

مدل Combustion PDF Transport همانند Finite-Rate و Eddy Dissipation زمانی استفاده می‌شود که شبیه‌سازی اثرات کینتیک شیمیایی در جریان‌های واکنش پذیر آشفته مطلوب باشد. باید توجه داشت که استفاده از این مدل از لحاظ محاسباتی گران تمام می‌شود و به همین خاطر توسعه دهندگان این مدل پیشنهاد می‌کنند که شبیه‌سازی‌هایی از این دست در ابتدا با یک شبکه محدود و ترجیحا در فضای دو بعدی آغاز شود. مدل یاد شده تنها برای حلگر فشار مبنا قابل استفاده می‌باشد و در هنگام استفاده از حلگر چگالی مبنا در دسترس نیست.

نرم افزار Fluent برای گسسته‌سازی معادلات PDF از دو روش لاگرانژی (Lagrangian) و اویلری (Eulerian) بهره می‌گیرد(کادر PDF Transport Options در شکل زیر). روش لاگرانژی بطور قابل توجهی از روش اویلی دقیق‌تر است اما باید توجه داشت که به همان اندازه زمان بیشتری را نیز برای همگرا شدن طلب می‌کند.

گزینه‌های ماژول Combustion PDF Transport نرم افزار Fluent برای شبیه سازی جریان‌های همراه با واکنش‌‌های شیمیایی.

**آموزش مبانی تئوری و مدلسازی احتراق با استفاده از روش Species Transport; Volumetric در نرم افزار Fluent**

نرم افزار CFX

نرم افزار CFX نیز همانند Fluent از مدل‌های متنوع و متعددی برای شبیه‌سازی جریان‌هایم همراه با واکنش شیمیایی و احتراق استفاده می‌کند. همچنین مثل نرم افزار Fluent، در این نرم افزار نیز بسته به مشخصات جریان سیال و همچنین واکنش‌دهنده‌ها ممکن است نوع مدل مناسب برای شبیه سازی متفاوت باشد. برای سادگی در شناخت کلی مدل‌های مناسب برای مشخصات جریان‌های مختلف و وضعیت واکنش‌دهنده‌ها، خلاصه راهنمای استفاده از مدل‌ها در جدول زیر ارائه شده است.

عدد Domkohler:Da؛ نسبت گام زمانی جریان به نرخ واکنش

برای تعریف جریان‌ همراه با واکنش شیمیایی لازمست به قسمت ِDomain در نرم افزار CFX مراجعه و در پانلBasic setting تنظیمات مربوط به قسمت‌های Option , Composition را انجام داد (شکل زیر).

تنظیمات مربوط به انتخاب ماده و نوع ترکیب در پانل Domain: Basic Setting.

سپس با باز کردن پان Fluid Models نوع واکنش و همچنین واکنش(های) مورد نظر تعیین شود.

انتخاب نوع مدل واکنش در پانل Domain: Fluid Models.

انتخاب واکنش یا واکنش‌های مورد نظر در کادر Reaction List در پانل Domain: Fluid Models.

درصورتیکه واکنش مورد نظر جزء کتابخانه واکنش‌های نرم افزار CFX نباشد می‌توان به قسمت Reaction مراجعه کرده و مشخصات واکنش، واکنشگرها، محصولات و نرخ واکنش را در پانل‌های Basic Setting، Reactants، Products ئو Reaction Rates تعریف نمود (شکل زیر).