多相复杂化学

在 Simcenter STAR-CCM+ 中，使用刚性 CVODE ODE（常微分方程）求解器求解多相复杂化学，从而对化学源项进行积分。多相复杂化学模型的工作方式与复杂化学模型类似。区别在于，它支持来自任意数量的相（固相、液相、气相）的任意数量的组分之间的反应。该模型假设反应器是一个理想的完全搅拌的反应器，反应器内所有相和组分在分子级别完全混合。

反应系统

多相化学模型需要有关组分、反应、热力学和传输属性的详细反应机制信息。这些详细信息由以 Chemkin 格式导入的复杂化学定义文件提供。对于多相复杂化学模型，Chemkin 文件包含多个相。

源项定义

常规组分输运方程与复杂化学模型的方程相同，请参见Eqn. (3456)。在存在的每个相中求解此输运方程， $Y_{i}$ 是指相应相中的组分 $i$ 相对于该相中所有分子总质量的质量分数。

此算子分裂算法将利用化学反应和流场涉及的不同时间尺度。化学状态的时间积分分两步执行。在这些步骤中，化学状态由所有相的平均温度

\bar{T}

和平均密度

\bar{ρ}

以及相应相中组分

i

相对于所有相中所有分子总质量的质量分数来定义：

Y_{i}^{t o t} = \frac{Y_{i} ρ_{j} V_{j}}{\sum_{k = 1}^{n_{p}} {ρ_{k} V}_{k}}

(3480)

且：

\bar{ρ} = \frac{m_{t o t}}{V_{t o t}} = \frac{1}{\sum_{i = 1}^{n_{s}} \frac{Y_{i}}{ρ_{i}}}

(3481)

其中：

$Y_{i}^{t o t}$ 为一个相中组分 $i$ 相对于所有相中所有分子总质量的质量分数。
下标 $j$ 指相应的相。
$k = 1 \dots n_{p}$ 表示所有相的总和。
$\bar{ρ}$ 为平均密度。
$m_{t o t}$ 为所有相中所有分子的总质量。
$V_{t o t}$ 为所有相中所有分子的总体积。
$i = 1 \dots n_{s}$ 表示所有组分的总和。

化学状态时间积分的两个步骤如下：

在每个时间步开始时，在每个 CFD 网格单元中从状态 ${(Y_{i}^{t o t}, \bar{T}, p)}^{n}$ 到 ${(Y_{i}^{t o t}, \bar{T}, p)}^{*}$ 对化学状态进行积分，此积分过程仅考虑化学源项：

$Y_{i}^{t o t *} = Y_{i}^{t o t} + \int_{0}^{τ} r_{k} (Y, \bar{T}, p) d t$
(3482)
其中， $Y_{i}^{t o t *}$ 为刚性 ODE 求解器时间积分结束时的质量分数 $τ$ ，计算方法如Eqn. (3482) 中所示。 $r_{k}$ 为Eqn. (3404) 中的反应率， $Y$ 为质量分数矢量。
Eqn. (3482) 方程组使用刚性 CVODE 求解器进行求解。
组分传输方程将使用下式给出的第 $ω_{i}$ 个组分的显式反应源项 $i$ 进行求解：

$ω_{i} = \bar{ρ} f (\frac{Y_{i}^{t o t *} - Y_{i}^{t o t}}{τ})$
(3483)
其中， $f$ 为平均反应率乘数， $Y_{i}^{t o t}$ 表示单元网格中的当前质量分数。时间积分 $τ$ 指定用于非稳态模拟，并作为稳态模拟的停留时间 $τ_{r e s}$ ，如Eqn. (3374) 中定义。