CFX案例｜管内酸碱溶液化学反应
软件: ANSYS
在CFX中运用多组分流体及CEL表达式模拟酸碱溶液化学反应的改进技术文章
1 问题描述与模型简介
在本案例中，采用CFX模拟了一个利用多组分流体和CEL表达式来研究管内酸碱溶液化学反应过程的基本过程。几何模型设有一个带有三个环层的混合管，每个环层包含十二个孔道。系统中蕴含着复杂的物理化学现象；主入口处流速设定为2 m/s，温度为300 K，出口处保持1 atm的压力。稀硫酸溶液以2 m/s的速度从靠近入口的孔道注入，稀氢氧化钠溶液掠过其余两排孔道，两者温度均为300 K。
二、CFX预先准备与模型建立
1.1 启动及文件导入
启动软件：打开CFX后，通过主界面切换至预先准备部分（PreProcessing），设置合适的项目工作路径以及创建新的案例。
文件导入：使用“文件”菜单选择“新建案例”，确认选择“一般”选项后，通过导入网格文件（例如：ReactorMesh.gtm）完成几何模型的导入。以上步骤可确保原始计算模型的正确装备和初始化。
1.2 创建多组分材料
酸液材料：首先创建名为酸的材料，基于其属性（摩尔质量、密度、比热、动力粘度和热导率）进行参数设定。其次，同样过程为稀氢氧化钠溶液创建元素，两者在物理特性上高度类似。
反应产物：针对生成的硫酸钠溶液，新增材料，确保其热力学状态设定为液态，并详细配置摩尔质量和所有物理属性参数。
1.3 定义混合物材料
结合上述单组分材料，手动指定各类化学物质在复合系统中的混合比例与性质。
1.4 创建附加变量
引入“MixturePH”，用于监测并计算混合过程中的pH值演化。
1.5 定义化学反应与pH值计算
化学计量比表达式：解析化学反应方程式，避开创意公式将反应物按2:1质量比进行混合，为完全反应奠定基础。
化学反应方程组：利用薏仁式CEX和CEL表达式精准控制各组分的质量源项和能量源项的生成，提高模型的精细化程度。
生成方程式：导入附加的CCL文件（ReactorExpressions.ccl），确保反应动力学和热效应的微小变化被量化应用至实际模拟中。
三、区域与边界条件定义
3.1 区域材料与组分设置
主区域材料：“混合域”参数通过软件设置，以准确映射所有组分间的扩散系数，优化模拟响应范围。
组分扩散系数：相同流程应用于稀硫酸溶液（组分流酸(acid)与组分流碱(base)）、稀氢氧化钠溶液的分组整合确认其模拟行为一致性。
水分流动组分：单独配置水分参与的传质需求与扩散属性，确保水分流动的精确模拟和反应控制。
3.2 边界条件深化
指定边界：逐一构建入口区域(InWater, InAcid, InAlkali)、输出区域(out)、以及对称边界(system1、system2)，维度上考虑实际反应流程可能的边界约束，支撑准确周期性条件仿真。
边界条件定义：入口条件（速度、温度、组分浓度）、出口静压、对称面等物理条件严谨设定，确保模拟环境的逼真性和连续性。
四、初始条件与控制板设置
4.1 初始条件设置
校准数值：依照问题要求调整起始条件，确保模型的整体内核状态与初始参数一致。
4.2 控制板参数调整
求解控制：启用高精度双精度求解选项，并留意CDIP变更（残差曲线），为模型的长期运行优化设置断点与限值，确保腐蚀评估的平稳进行。
五、结果分析与限值设定
成像分析：展示在xy=0切面产生反应盐水溶液的质量分数分布、酸液与碱液的质量分数和pH值，提供深入理解反应过程的直接证据。
五、案例涉及的表达式精炼
化学计量比：解释和计算碱与酸液的质量比，即需要通过独立计算表征完全反应所需的每种物质的比例。
源项计算：基于Eddy BreakBoom模型导出液相组分的传输方程，同时处理反应热攻击，对质量源系数和能量源进行定量化分析。
反应速率和热量产生：通过湍流流动动能（动能）和湍流涡动耗散的精确公式连接反应速率与系统中的热能生成。
pH值计算：通过电荷守恒和Leibner平衡条件建立求解体系，进而通过公式计算出混合体系中的pH值。
数值限值：设置用于计算的pH值限值，以及识别控制正反馈过程中的源项转移机制加强理论推导的应用。
本文通过系统化介绍CFX在多组分流体模拟与酸碱溶液化学反应过程中的应用与技术细节，准确阐述了模型构建、结果分析以及重要公式演化的关键环节，旨在提供基于CFX技术的科学解决方案，助力学术与工程实践中复杂流体动力学与化学现象的精准表征与预测。
1 问题描述与模型简介
在本案例中，采用CFX模拟了一个利用多组分流体和CEL表达式来研究管内酸碱溶液化学反应过程的基本过程。几何模型设有一个带有三个环层的混合管，每个环层包含十二个孔道。系统中蕴含着复杂的物理化学现象；主入口处流速设定为2 m/s，温度为300 K，出口处保持1 atm的压力。稀硫酸溶液以2 m/s的速度从靠近入口的孔道注入，稀氢氧化钠溶液掠过其余两排孔道，两者温度均为300 K。
二、CFX预先准备与模型建立
1.1 启动及文件导入
启动软件：打开CFX后，通过主界面切换至预先准备部分（PreProcessing），设置合适的项目工作路径以及创建新的案例。
文件导入：使用“文件”菜单选择“新建案例”，确认选择“一般”选项后，通过导入网格文件（例如：ReactorMesh.gtm）完成几何模型的导入。以上步骤可确保原始计算模型的正确装备和初始化。
1.2 创建多组分材料
酸液材料：首先创建名为酸的材料，基于其属性（摩尔质量、密度、比热、动力粘度和热导率）进行参数设定。其次，同样过程为稀氢氧化钠溶液创建元素，两者在物理特性上高度类似。
反应产物：针对生成的硫酸钠溶液，新增材料，确保其热力学状态设定为液态，并详细配置摩尔质量和所有物理属性参数。
1.3 定义混合物材料
结合上述单组分材料，手动指定各类化学物质在复合系统中的混合比例与性质。
1.4 创建附加变量
引入“MixturePH”，用于监测并计算混合过程中的pH值演化。
1.5 定义化学反应与pH值计算
化学计量比表达式：解析化学反应方程式，避开创意公式将反应物按2:1质量比进行混合，为完全反应奠定基础。
化学反应方程组：利用薏仁式CEX和CEL表达式精准控制各组分的质量源项和能量源项的生成，提高模型的精细化程度。
生成方程式：导入附加的CCL文件（ReactorExpressions.ccl），确保反应动力学和热效应的微小变化被量化应用至实际模拟中。
三、区域与边界条件定义
3.1 区域材料与组分设置
主区域材料：“混合域”参数通过软件设置，以准确映射所有组分间的扩散系数，优化模拟响应范围。
组分扩散系数：相同流程应用于稀硫酸溶液（组分流酸(acid)与组分流碱(base)）、稀氢氧化钠溶液的分组整合确认其模拟行为一致性。
水分流动组分：单独配置水分参与的传质需求与扩散属性，确保水分流动的精确模拟和反应控制。
3.2 边界条件深化
指定边界：逐一构建入口区域(InWater, InAcid, InAlkali)、输出区域(out)、以及对称边界(system1、system2)，维度上考虑实际反应流程可能的边界约束，支撑准确周期性条件仿真。
边界条件定义：入口条件（速度、温度、组分浓度）、出口静压、对称面等物理条件严谨设定，确保模拟环境的逼真性和连续性。
四、初始条件与控制板设置
4.1 初始条件设置
校准数值：依照问题要求调整起始条件，确保模型的整体内核状态与初始参数一致。
4.2 控制板参数调整
求解控制：启用高精度双精度求解选项，并留意CDIP变更（残差曲线），为模型的长期运行优化设置断点与限值，确保腐蚀评估的平稳进行。
五、结果分析与限值设定
成像分析：展示在xy=0切面产生反应盐水溶液的质量分数分布、酸液与碱液的质量分数和pH值，提供深入理解反应过程的直接证据。
五、案例涉及的表达式精炼
化学计量比：解释和计算碱与酸液的质量比，即需要通过独立计算表征完全反应所需的每种物质的比例。
源项计算：基于Eddy BreakBoom模型导出液相组分的传输方程，同时处理反应热攻击，对质量源系数和能量源进行定量化分析。
反应速率和热量产生：通过湍流流动动能（动能）和湍流涡动耗散的精确公式连接反应速率与系统中的热能生成。
pH值计算：通过电荷守恒和Leibner平衡条件建立求解体系，进而通过公式计算出混合体系中的pH值。
数值限值：设置用于计算的pH值限值，以及识别控制正反馈过程中的源项转移机制加强理论推导的应用。
本文通过系统化介绍CFX在多组分流体模拟与酸碱溶液化学反应过程中的应用与技术细节，准确阐述了模型构建、结果分析以及重要公式演化的关键环节，旨在提供基于CFX技术的科学解决方案，助力学术与工程实践中复杂流体动力学与化学现象的精准表征与预测。
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