催化轉(zhuǎn)換器

CatalyticConverter教程4催化轉(zhuǎn)換器CatalyticLayer–PorousDomain此教程將演示流體穿過(guò)帶有多孔介質(zhì)催化層腔體的模擬由于流動(dòng)具有對(duì)稱(chēng)性，為了減少解的時(shí)間，我們只對(duì)模型的一般進(jìn)行模擬。在模擬催化層時(shí)我們將使用多孔介質(zhì)域，而計(jì)算域的其它部分仍舊使用流體域。為了模擬催化層的存在對(duì)流動(dòng)帶來(lái)的阻力，動(dòng)量損失將以定向損失模型的形式應(yīng)用于多孔介質(zhì)域。此模擬中將用到多網(wǎng)格和多域。我們需要在CFX-Pre

中使用域交界面把它們粘結(jié)起來(lái)。模擬概述腔體完整尺寸：進(jìn)氣道直徑=0.4[m]中部腔體橫截面面積=1[m]×1[m]催化層厚度=0.1[m]入口到出口總長(zhǎng)=3.4[m]由于垂直對(duì)稱(chēng)，只考慮一半幾何體

工作流體：AirIdealGas流動(dòng)條件：入口質(zhì)量流量=0.38[kg/s]入口溫度=580[K]出口靜壓=0[Pa]催化劑孔隙率（Catalystporosity）=45%催化阻力系數(shù)將在后邊計(jì)算開(kāi)始模擬啟動(dòng)Workbench，點(diǎn)擊

AdvancedCFDCFX-Pre中創(chuàng)建一個(gè)新模擬，存儲(chǔ)為

Catflow.cfx目錄樹(shù)中右鍵點(diǎn)擊

Mesh

，導(dǎo)入CFX網(wǎng)格文件（gtm）

catmain.gtm繼續(xù)導(dǎo)入CFX網(wǎng)格文件（gtm）catporous.gtm

目錄樹(shù)中將顯示兩個(gè)網(wǎng)格集合。過(guò)后，將使用域交界面把這些網(wǎng)格連接起來(lái)。 接著您將復(fù)制旋轉(zhuǎn)出口端網(wǎng)格，形成入口端網(wǎng)格目錄樹(shù)中右鍵點(diǎn)擊

Mesh，選擇

TransformMesh在TargetAssemblies選擇框內(nèi)，選擇

Assembly

按照右圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)設(shè)置激活

MultipleCopies

復(fù)選框，然后點(diǎn)擊

OK如果沒(méi)有激活多份復(fù)雜選項(xiàng)（MultipleCopies），原始網(wǎng)格將遺失旋轉(zhuǎn)網(wǎng)格集合 創(chuàng)建合成區(qū)域（Composite

Regions

）使得我們?cè)趧?chuàng)建域和邊界條件時(shí)的選擇更便捷主菜單中選擇

Insert>CompositeRegion

命名為

Converter在Combination處選擇Union設(shè)置

Dimension

為3D此操作對(duì)網(wǎng)格區(qū)域列表進(jìn)行過(guò)濾，將只顯示3D區(qū)域區(qū)域列表中選擇

Assembly

和Assembly3

（使用…按鈕）這兩組網(wǎng)格集合組成了流體域點(diǎn)擊

Ok

，創(chuàng)建合成區(qū)域創(chuàng)建新區(qū)域合成區(qū)域（CompositeRegions）僅僅時(shí)已存在的原始網(wǎng)格區(qū)域的一個(gè)分組標(biāo)識(shí)定義流體域工具欄中選擇創(chuàng)建域（CreateDomain）按鈕，命名為

Converter位置在

Converter流體類(lèi)型選擇

AirIdealGas。默認(rèn)的

ReferencePressure

為1[atm]

和不考慮浮力（Non-Buoyant）對(duì)此模擬適合在

FluidModels

鍵下，設(shè)置

HeatTransferModel

為Isothermal，設(shè)置

FluidTemperature

為580[K]留下

TurbulenceOption

默認(rèn)設(shè)置為

k-EpsilonModel點(diǎn)擊Ok

，創(chuàng)建域當(dāng)我們使用等溫（Isothermal）選項(xiàng)時(shí)，不能模擬傳熱現(xiàn)象。指定的溫度僅僅用于計(jì)算理想氣體的性質(zhì)。多孔介質(zhì)域背景 穿過(guò)厚度為Δx

的多孔層發(fā)生的壓力降ΔP與流動(dòng)速度V和二次阻力系數(shù)KQ之間存在以下關(guān)系：

KQ=(ΔP/Δx)/V2

KQ

取決于多孔介質(zhì)的材料屬性，我們必須把其引入到CFX

技術(shù)書(shū)籍通常以系數(shù)KB的形式給出多孔介質(zhì)材料信息：

KB=(ΔP)/(ρV2/2)

這里ρ為流體密度。因此，KQ

和

KB

之間遵循：

KQ=KB*ρ/2Δx多孔介質(zhì)域背景 對(duì)于催化多孔介質(zhì)材料

KB=40

基于入口溫度，密度ρ可以以0.609[kg/m3]來(lái)計(jì)算。基于質(zhì)量流量和催化層橫斷面面積，穿過(guò)催化層的表觀速度可估計(jì)為1.25[m/s]

因此如果流動(dòng)均勻分布，我們預(yù)計(jì)穿過(guò)催化層的壓力降約為19.0[Pa]。由于很可能不是這種情況，那么很可能出現(xiàn)一個(gè)更高一些的壓力降。您可以在后邊CFX-Post中驗(yàn)證我們的估計(jì)。

催化層的厚度為0.1[m]，假設(shè)KB取值KB=40，那么輸入到CFX的KQ值可取122[kg/m4]定義多孔介質(zhì)域工具欄中選擇創(chuàng)建域（CreateDomain）按鈕，命名為

Catlayer位置在

Assembly2

（使用…按鈕），設(shè)置

DomainType

為PorousDomain切換到

PorositySettings

鍵設(shè)置

VolumePorosity

為

0.45設(shè)置

LossModel

為DirectionalLoss設(shè)置

LossVelocityType

為Superficial在前面的幻燈片中損失系數(shù)是用表觀速度來(lái)計(jì)算的真實(shí)穿過(guò)多孔介質(zhì)域的速度要更大，這是由于在多孔介質(zhì)區(qū)域流體體積減小了輸入

X

和Y分量為

0，Z

分量為1，以定義流向StreamwiseDirection對(duì)于StreamwiseLoss

，設(shè)置

Option

為L(zhǎng)inearandQuadraticResistanceCoefficient打開(kāi)

QuadraticResistanceCoefficient

復(fù)選框，輸入

QuadraticCoefficient為122[kgm^-4]留下TransverseLoss

設(shè)置為默認(rèn)值10（10倍的流向損失系數(shù)）點(diǎn)擊

Ok

，創(chuàng)建此域定義多孔介質(zhì)域多孔介質(zhì)域的流體模型（FluidModels）將自動(dòng)采用流體域的材料屬性，于是我們不需要對(duì)多孔介質(zhì)域再設(shè)置一次。邊界條件接下來(lái)，創(chuàng)建入口邊界條件：在流體域定義一入口邊界條件，命名為Inlet

，位置在

PipeEnd通過(guò)右鍵點(diǎn)擊Converter域插入邊界條件，這樣邊界條件將創(chuàng)建在正確的域中在

BoundaryDetails鍵下，設(shè)置

MassFlowRate=0.38[kgs^-1]

，使用默認(rèn)的湍流值創(chuàng)建出口邊界條件：在流體域定義一出口邊界條件，命名為

Outlet，位置在

PipeEnd2在

BoundaryDetails鍵下，設(shè)置

AverageStaticPressure=

0[Pa]為兩個(gè)域創(chuàng)建對(duì)稱(chēng)邊界條件：在流體域定義一對(duì)稱(chēng)邊界條件，命名為

FluidSym

，位置在

EntireSymmetry在多孔介質(zhì)域定義一對(duì)稱(chēng)邊界條件，命名為

PorousSym

，位置在

PorousSym邊界條件當(dāng)復(fù)制一個(gè)網(wǎng)格集合時(shí)，新網(wǎng)格區(qū)域名字之后會(huì)添加一個(gè)字符“2”

，這樣就避免了復(fù)制名稱(chēng)。同樣的道理，新合成區(qū)域的創(chuàng)建，其名稱(chēng)下包含新舊兩個(gè)區(qū)域，這稱(chēng)作完整名“Entire<name>”剩余的表面將自動(dòng)的劃分到默認(rèn)的無(wú)滑移固壁邊界條件。每一個(gè)域都有其自己默認(rèn)邊界條件域交界面在連接流體和多孔介質(zhì)域時(shí)需要設(shè)置域交界面（DomainInterfaces）右鍵點(diǎn)擊Simulation

，選擇

Insert>DomainInterface命名為

UpstreamInterface選擇

InterfaceType

為FluidPorous對(duì)

InterfaceSide1

，設(shè)置

Domain(Filter)

為Converter在

RegionList中選擇

FluidSide對(duì)

InterfaceSide2

，設(shè)置

Domain(Filter)

為Catlayer在

RegionList中選擇

PorousSideUp留下

InterfaceModels和MeshConnectionMethod

為它們的默認(rèn)設(shè)置。點(diǎn)擊

Ok

，創(chuàng)建交界面域交界面創(chuàng)建第二個(gè)域交界面命名為

DownstreamInterface選擇

InterfaceType

為FluidPorous

對(duì)于

InterfaceSide1

，設(shè)置

Domain(Filter)

為Converter

，在RegionsList中選擇FluidSide2對(duì)于

InterfaceSide2

，設(shè)置

Domain(Filter)

為Catlayer，在RegionsList

中選擇

PorousSideDown

留下其余設(shè)置為它們的默認(rèn)設(shè)置，點(diǎn)擊

Ok

，創(chuàng)建交界面初始化現(xiàn)在設(shè)置初始條件：工具欄中選擇

GlobalInitialisation

按鈕在

CartesianVelocityComponents

下，設(shè)置

Option為

AutomaticwithValue設(shè)置U,V,W速度分量為0,0,1[ms^-1]留下

StaticPressure

和TurbulenceKineticEnergyOption

設(shè)置為

Automatic激活面板底部

TurbulenceEddyDissipation復(fù)選框點(diǎn)擊

Ok求解器控制在求解器控制參數(shù)中指定時(shí)間尺度：目錄樹(shù)中雙擊

SolverControl

在ConvergenceControl部分，設(shè)置TimescaleControl

為PhysicalTimescale

，輸入

PhysicalTimeScale為1[s]點(diǎn)擊

Ok寫(xiě)出求解文件寫(xiě)出求解文件，繼續(xù)求解管理器的工作工具欄中點(diǎn)擊按鈕，寫(xiě)出求解文件留著下拉式菜單設(shè)置為

StartSolverManager鉤選SummarizeInterfaceData

點(diǎn)擊

Save

，寫(xiě)出文件

Catflow.def在交界面信息窗口點(diǎn)擊

OK

在求解管理器中點(diǎn)擊

StartRun

監(jiān)控求解過(guò)程創(chuàng)建一新監(jiān)控圖（Workspace>NewMonitor），用以監(jiān)控求解過(guò)程中每一方程的平衡性通過(guò)右鍵點(diǎn)擊監(jiān)視器，選擇MonitorProperties，然后激活RangeSettings鍵下的UseLogarithmicScale，改變平衡圖的刻度運(yùn)行結(jié)束之后，在OUT文件中檢查平衡性運(yùn)行完成，彈出窗口會(huì)詢(xún)問(wèn)是否現(xiàn)在進(jìn)行后處理，點(diǎn)擊

Yes

后處理在對(duì)稱(chēng)面上創(chuàng)建速度矢量圖，可以選擇位置在

FluidSym和PorousSym，使用…按鈕在相同位置創(chuàng)建一壓力云圖創(chuàng)建一XY平面，取值Z=-0.5[m]（Location>Plane）在此平面上創(chuàng)建速度和壓力云圖計(jì)算壓力降切換到Quantitative

鍵下右鍵點(diǎn)擊

Expressions，選擇

New命名為deltaP

，然后定義為：

areaAve(Pressure)@FluidSide-areaAve(Pressure)@FluidSide2點(diǎn)擊Apply，算出表達(dá)式值右鍵點(diǎn)擊定義區(qū)域，以檢查選項(xiàng)有效。當(dāng)創(chuàng)建表達(dá)式時(shí)，您可以使用此彈出菜單。

壓力降大約為31[Pa]，要高于我們前面所作出的預(yù)測(cè)值19[Pa]壓力降和Velocity2為同量綱。流動(dòng)是非均勻的，于是高速區(qū)存在一大的壓力降，由于低速區(qū)的存在其并不是完全的壓力降。計(jì)算損失系數(shù)

接著您將從結(jié)果中收回（‘back-out’）所指定的二次系數(shù)以驗(yàn)證它們的精確性。收回所指定的

KQ

=122[kgm-4]，并從下式進(jìn)行計(jì)算

KQ=(ΔP/Δx)/V2；其中ΔP/Δx

是壓力梯度，在結(jié)果文件中作為矢量變量

Pressure.Gradient

是有效的。

結(jié)果文件中的速度變量是真實(shí)的速度。為了得到表觀速度您還必須乘以體積孔隙率。在

Quantitative

鍵下，創(chuàng)建一新表達(dá)式，命名為

KqExpression定義此表達(dá)式為：

Pressure.GradientZ/(VolumePorosity*Velocity)^2在定義表達(dá)式時(shí)，您可以右鍵點(diǎn)擊定義區(qū)域，選擇

Variables>Other…以訪問(wèn)需要輸入的變量名計(jì)算損失系數(shù)在

Variables

鍵下，右鍵點(diǎn)擊，創(chuàng)建一新變量命名為Kq設(shè)置

Method

為Expressi