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化学反应模型的自定义开发

在航空航天领域的计算流体力学（CFD）模拟中，化学反应模型的准确性和可靠性对预测燃烧过程、推进剂性能以及环境影响等方面具有重要意义。ANSYSCFX提供了多种预定义的化学反应模型，但在某些复杂工况下，这些模型可能无法满足特定的需求。因此，自定义开发化学反应模型成为了一种必要的手段。本节将详细介绍如何在CFX中自定义化学反应模型，包括理论基础、开发步骤和具体示例。

理论基础

1.化学反应动力学

化学反应动力学是研究化学反应速率和机理的科学。在燃烧过程中，化学反应速率是关键参数之一，它决定了燃料和氧化剂的混合、燃烧时间和温度分布等。化学反应速率通常由Arrhenius方程描述：

k

其中：

k是反应速率常数

A是指前因子

Ea

R是通用气体常数

T是温度

2.反应方程

反应方程描述了化学反应的化学变化过程。例如，氢气和氧气燃烧生成水的反应方程可以表示为：

2

在这个方程中，反应物H2和O2转化为生成物

3.质量守恒和能量守恒

在CFD模拟中，化学反应模型需要满足质量守恒和能量守恒。质量守恒方程可以表示为：

?

其中：

ρ是密度

Yi是第i

u是流速

Di是第i

ωi是第i

能量守恒方程可以表示为：

?

其中：

e是内能

T是温度

λ是热导率

qr

qv

开发步骤

1.定义化学反应

首先，需要定义化学反应的种类和反应方程。这可以通过CFX的用户定义函数（UDF）来实现。例如，假设我们需要定义一个简单的燃烧反应：

H

2.定义反应速率

接下来，需要定义反应速率常数k和生成速率ωi。这可以通过编写CFXUDF来实现。以下是一个简单的UDF

#includeudf.h

#includeprop.h

#includereaction.h

/*定义Arrhenius参数*/

#defineA1.0e10

#defineE_a120000.0

#defineR8.314

DEFINE_REACTION_RATE(h2_o2_combustion,c,t,nSpec,nReac,nProd,nTot,T,yi,yi_st,rho,molw,rate)

{

realk;

realrate_h2,rate_o2,rate_h2o;

/*计算反应速率常数*/

k=A*exp(-E_a/(R*T));

/*计算反应物的质量分数*/

realyi_h2=yi[0];

realyi_o2=yi[1];

/*计算生成速率*/

rate_h2=-k*yi_h2*pow(yi_o2,0.5);

rate_o2=-0.5*rate_h2;

rate_h2o=-rate_h2;

/*将生成速率赋值给rate数组*/

rate[0]=rate_h2;

rate[1]=rate_o2;

rate[2]=rate_h2o;

}

3.编译和链接UDF

编写好UDF后，需要将其编译并链接到CFX中。这可以通过CFX-Pre的UDF管理器来完成。具体步骤如下：

打开CFX-Pre。

导入您的CFX模型。

选择“SolverControl”选项卡。

在“SolverControl”选项卡中，选择“UserFortran”或“UserC”选项卡。

选择“UDFs”选项卡，点击“Add”按钮，添加您的UDF文件。

点击“Compile”按钮，编译UDF。

点击“Link”按钮，将编译好的UDF链接到CFX中。

4.设置化学反应模型

在CFX-Pre中，需要设置化学反应模型以使用自定义的UDF。具体步骤如下：

选择“FluidModels”选项卡。

在“Turbulence”选项卡中，选择“ChemicalReaction”模型。

在“ChemicalReaction”选项卡中，选择“UserDefined”反应模型。

指定反应物和生成物的质量分数。

选择“ReactionRate”选项卡，选择“UserDefined”反应速率，并指定编译好的UDF。

5.运行模拟

设置好化学反应模型后，可以运行CFX模拟。在CFX-SolverManager中，选择您的CFX模型文件，设置求解