مدلسازی جریان همراه با واکنش شیمیایی با استفاده از روش‌های Species Transport

Reactive Flow Simulation Using Species Transport Methods

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

طبیعت جریان‌های همراه با واکنش شیمیایی از چنان پیچیدگی‌هایی برخوردار است که حتی فکر کردن در مورد شبیه سازی دقیق تمامی واکنش‌های رخ دهنده در یک فرآیند ساده ترکیب شیمیایی مثل هیدروژن و اکسیژن هم بسیار هراس انگیز است. با این حال همانند سایر پدیده‌های سیالاتی روش‌های عددی مناسبی برای حل قابل قبول این گونه جریان‌های توسعه یافته است. روش‌های انتقال گونه‌های شیمیایی (Species Transport) در کنار احتراق پیش آمیخته، غیر پیش آمیخته، پیش آمیخته جزئی و همچنین Combustion PDF Transport مهمترین روش‌های عددی برخورد با جریان‌های همراه با واکنش شیمیایی هستند. در این مطلب آموزشی انواع متدهای موجود در روش انتقال گونه‌های شیمیایی (Species Transport) تشریح شده است.

مدل انتقال گونه‌های شیمیایی (Species Transport) 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 واکنش‌های متعدد معرفی شده در ادامه این پست را مدلسازی کنند.

واکنش‌های حجمی (Volumetric Reaction)؛

مبانی تئوری‌ انتقال گونه‌های شیمیایی (Species Transport) و نرخ محدود (Finite-Rate) مرتبط با واکنش‌های حجمی به عنوان اولین مبحث، در فایل ضمیمه معرفی و تشریح شده است. در همین رابطه و در ابتدا معادلات انتقال گونه‌های شیمیایی همراه با انتشار جرمی گونه‌های شیمیایی توصیف می‌گردد. بخش دوم این فصل نیز به بیان تعمیم فرمولاسیون نرخ محدود برای مدلسازی واکنش در جریان اختصاص دارد.

سطح دیواره (Wall Surface Reactions)؛

برای واکنش‌های سطح دیواره، مقدار جذب و دفع بوسیله هر دو پدیده انتشار و سینتیک شیمیایی و از سطح، تعیین می‌شود. بنابراین واکنش‌های سطح دیواره موجب تولید چشمه‌ها (Sources) و چاه‌هایی (Sinks) از گونه‌های شیمایی در فاز گازی و همچنین سطح یا سطوح واکنش دهنده می‌شود. جزئیات کامل این مبحث به عنوان فصل دوم در فایل پیوست ارائه شده است.

سطح ذرات (Particle Surface Reactions)؛

می‌توان چندین واکنش سطح ذره را برای مدل‌سازی احتراق سطح یک ذره قابل اشتعال در فاز گسسته تعریف نمود. این مبحث در فصل سوم فایل پیوست تشریح شده است.

پدیده‌های الکترو شیمیایی (Electrochemical)؛

واکنش‌ شیمیایی انتقال-شارژ (Charge-Transfer) واکنش شیمیایی بین مواد شیمیایی خنثی، یون‌های شارژ شده و الکترون‌ها می‌باشد. پدیده الکترو شیمیایی در باتری‌ها، پیل‌های سوختی، خوردگی و الکترو رسوب رخ می‌دهد. واکنش‌های انتقال شارژ در فاز اینترفیس (Phase-Interface) بین الکترودهای آند و کاتد و یک الکترولیت اتفاق می‌افتد. این اینترفیس به عنوان سطح فارادیک (Faradaic surface) نیز شناخته می‌شود. مدل واکنش الکتروشیمیایی تنها برای جریان‌های تک فازی قابل استفاده است. جزئیات بیشتر همراه با روابط حاکم در فصل چهارم فایل پیوست تشریح شده است.

کانال‌های واکنشی (Reacting Channels)؛

برخی از مسائل مهندسی درگیر جریان در مجاری بلند و باریک (مثل لوله‌ها و کانال‌ها) همراه با واکنش شیمیایی در داخل و انتقال حرارت با محیط بیرون از آن‌ها (مجاری) می‌باشد. جریان در کوره‌های کراکینگ و سوخت ریفورمره نمونه‌های بارزی از این گونه مسائل مهندسی می‌باشند. جریان در داخل مجاری به سرعت یک پروفایل شعاعی کاملا توسعه یافته و پایا را ایجاد می‌کند. بررسی دمایی و گونه‌های شیمیایی در این کانال‌ها را می‌توان با دقت مناسبی همراه با کاهش دامنه محاسباتی (بصورت پریودیک) شبیه سازی نمود. این راهکار به مراتب مؤثرتر از حل کامل و همزمان جریان در داخل و اطراف لوله‌ها و کانال‌ها می‌باشد. جزئیات مدل کانال واکنشی موجود در فصل پنجم فایل پیوست مورد بررسی قرار گرفته است.

شبکه رآکتور (Reactor Network)؛

مدل شبکه رآکتور برای شبیه سازی میدان دما و گونه‌های شیمیایی در محفظه احتراق بکار گرفته می‌شود. شبکه رآکتور براساس حل همگرا شده مسئله با یک مدل احتراق سریع نظیر احتراق غیر پیش آمیخته ایجاد شده است. فضای محفظه احتراق بطور خودکار به تعداد اندکی از رآکتورهای کاملا آمیخته شده و متصل به هم تقسیم می‌شود. جزئیات بیشتر را در فصل ششم فایل پیوست بیابید.