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12. 传质过程简介12.1 知识结构1． 质量传递（三传类比）；2． 扩散传质（斐克定律，等摩尔逆向扩散，质扩散率，单向扩散）； 3． 对流传质（传质系数，实验关联式，各准则定义式及其物理涵义）； 4． 热质传递。
12.2 重点内容剖析12.2.1 概述传质分析广泛应用于干燥、加湿、去湿、吸附、脱附等工艺。
1．质量传递（传质）——物质由高浓度向低浓度区域转移的过程(自发过程(熵增))传递动力——浓度梯度浓度（1）质量浓度——单位容积的组分质量，记为ρ i 。
（2）摩尔浓度——单位容积的组分摩尔数，记为C i 。
2D 规律：转移率=推动力×扩散率 3．质量传递机理扩散传质：静止或层流流动的流体，依靠分子微观运动产生质量转移的现象。
(与导热机理类似)对流传质：流体流过一个相界面时，由于流体微团的对流和掺混作用而产生的质量转移现象。
(与对流换热机理类似)12.2.2 扩散传质一、斐克定律——扩散通量正比于浓度变化率 ()s m m o l dydC D N A ABA ⋅-=2/ (12-1)式中负号表示通量与浓度变化率方向相反 或：()s m kg dyd D M A ABA ⋅-=2/ρ (12-2)二、等摩尔逆向扩散 对于气体：TR PV M RTP V n C i i i i i i i ====ρ, (12-3,4) 对于两组分体系：dydPRT D N dy dP RT D N B BA B A AB A -=-=, (12-5,6)或：dy dPT R D M dy dP T R D M B B BA B A A AB A -=-=, (12-7,8)又：系统总压不变 P=P A +P B =常数0=+dydP dy dP B A (12-9) (A 、B 两组分浓度梯度：大小相等，方向相反。
)N A = —N B (12-10)（如果N A ≠—N B ，系统将发生整体迁移，相对于运动着的系统坐标，还是存在N A = —N B ，而系统的整体运动不属于扩散现象）故得：D AB =D BA =D (12-11) （D 为组分及其温度和压力的函数） 由斐克定律积分可得：()2121A A A A A C C yDy P P RT D N -∆=∆-⋅=(12-12) 或：()2121A A A A A A yDy P P T R D M ρρ-∆=∆-⋅= (12-13)三、单向扩散（一组分通过另一停滞组分的扩散） （参见参考文献[1]P385~387）四、质扩散率——单位浓度梯度作用下的质流通量，表征物质扩散能力的大小。
第十三章 物质输送和有限速率化学反应FLUENT 可以通过求解描述每种组成物质的对流、扩散和反应源的守恒方程来模拟混合和输运，可以模拟多种同时发生的化学反应，反应可以是发生在大量相（容积反应）中，和/或是壁面、微粒的表面。
包括反应或不包括反应的物质输运模拟能力，以及当使用这一模型时的输入将在本章中叙述。
注意你可能还希望使用混合物成分的方法（对非预混系统，在14章介绍）、反应进程变量的方法（对预混系统，在15章介绍），或部分预混方法（在16章介绍）来模拟你的反应系统。
见12章FLUENT 中反应模拟方法的概述。
本章中的分为以下章节：● 容积反应● 壁面表面反应和化学蒸汽沉积● 微粒表面反应● 无反应物质输运13．1 容积反应与容积反应有关的物质输运和有限速率化学反应方面的信息在以下小节中给出：● 理论● 模拟物质输运和反应的用户输入概述● 使能物质输运和反应，并选择混合物材料● 混合物和构成物质的属性定义● 定义物质的边界条件● 定义化学物质的其他源项● 化学混合和有限速率化学反应的求解过程● 物质计算的后处理● 从CHEMKIN 导入一个化学反应机理理论物质输运方程当你选择解化学物质的守恒方程时，FLUENT 通过第i 种物质的对流扩散方程预估每种物质的质量分数，Y i 。
守恒方程采用以下的通用形式： ()()i i i i i S R J Y v Y t++-∇=⋅∇+∂∂ ρρ （） 其中i R 是化学反应的净产生速率（在本节稍后解释），i S 为离散相及用户定义的源项导致的额外产生速率。
在系统中出现N 种物质时，需要解N-1个这种形式的方程。
由于质量分数的和必须为1，第N 种物质的分数通过1减去N-1个已解得的质量分数得到。
为了使数值误差最小，第N 种物质必须选择质量分数最大的物质，比如氧化物是空气时的N 2。
层流中的质量扩散在方程中，i J 是物质i 的扩散通量，由浓度梯度产生。
缺省时，FLUENT 使用稀释近似，这样扩散通量可记为：i m i i Y D J ∇-=,ρ （）这里m i D ,是混合物中第i 种物质的扩散系数。
利⽤fluent组分输运模型模拟锅炉混煤燃烧过程fluent组分输运模拟混煤燃烧之前⽤组分输运做过⼀些混煤燃烧的⼯作，因为⾃⼰⼀开始接触组分输运的时候也遇到很多困难，⽤组分输运做混煤模拟更是⼀⽆所知，后来在之前课题组基础上，加上⾃⼰的摸索，对⽤组分输运做混煤模拟的套路⼤概了解了，所以就把这个“套路”总结了⼀下写了出来，希望可以帮到有需要的朋友。
当然，下⾯的内容更多的是做混煤模拟的⼀个过程的描述，具体⾥⾯的有些参数的设置我也不是太懂，尤其是⼀些涉及到化学反应的参数，所以这篇⽂章只是告诉⼤家设置的“套路”，具体的参数还是要⼤家查阅相关⽂献或书籍。
另外⼤家也没必要死搬硬套我这个套路，我这篇⽂章只是希望能给想做混煤模拟的朋友⼀些启发，⼤家应当在我这个⽂章的基础上多去琢磨，搞清楚每⼀步的设置都是在做什么，这样⾃⼰遇到⼀些我⽂中没有提到的问题时也能⾃⼰解决。
⽂中若有什么错误或未描述清楚的地⽅，欢迎互相交流。
1.打开species⾯板，选择species transport（组分输运），Reactions勾选上Volumetric，表⽰组分输运在某体积内有化学反应，Turbulence-Chemistry Interaction点选Finite-Rate/Eddy-Dissipation，表⽰化学反应是有限反应速率的，反应速率受化学反应本⾝与湍流混合⼆者共同控制。
2.点Finite-Rate/Eddy-Dissipation后，下⾯会出现coal calculator，⽤于对煤的反应进⾏计算，点coal calculator，弹出如下界⾯，根据煤质分析结果，填⼊相应数据，这⾥假设有两种煤，⼀种中等挥发份，取名为coal-mv，⼀种为⾼挥发份，取名为coal-hv，相应结果如下图。
3.点完Apply后点OK，会弹出如下界⾯。
4.这样coal-hv就设置好了，然后继续点coal-calculator，以同样的⽅法设置coal-mv。
第十三章 物质输送和有限速率化学反应FLUENT 可以通过求解描述每种组成物质的对流、扩散和反应源的守恒方程来模拟混合和输运，可以模拟多种同时发生的化学反应，反应可以是发生在大量相（容积反应）中，和/或是壁面、微粒的表面。
包括反应或不包括反应的物质输运模拟能力，以及当使用这一模型时的输入将在本章中叙述。
注意你可能还希望使用混合物成分的方法（对非预混系统，在14章介绍）、反应进程变量的方法（对预混系统，在15章介绍），或部分预混方法（在16章介绍）来模拟你的反应系统。
见12章FLUENT 中反应模拟方法的概述。
本章中的分为以下章节：● 13.1 容积反应 ● 13.2 壁面表面反应和化学蒸汽沉积 ● 13.3 微粒表面反应 ● 13.4 无反应物质输运13．1 容积反应与容积反应有关的物质输运和有限速率化学反应方面的信息在以下小节中给出：● 13.1.1 理论● 13.1.2 模拟物质输运和反应的用户输入概述 ● 13.1.3 使能物质输运和反应，并选择混合物材料 ● 13.1.4 混合物和构成物质的属性定义 ● 13.1.5 定义物质的边界条件 ● 13.1.6 定义化学物质的其他源项● 13.1.7 化学混合和有限速率化学反应的求解过程 ● 13.1.8 物质计算的后处理● 13.1.9 从CHEMKIN 导入一个化学反应机理13.1.1 理论 物质输运方程当你选择解化学物质的守恒方程时，FLUENT 通过第i 种物质的对流扩散方程预估每种物质的质量分数，Y i 。
守恒方程采用以下的通用形式：()()i i i i i S R J Y v Y t++-∇=⋅∇+∂∂ρρ （13.1-1） 其中i R 是化学反应的净产生速率（在本节稍后解释），i S 为离散相及用户定义的源项导致的额外产生速率。
在系统中出现N 种物质时，需要解N-1个这种形式的方程。
由于质量分数的和必须为1，第N 种物质的分数通过1减去N-1个已解得的质量分数得到。
流体⼒学讲义第⼗⼆章渗流第⼗⼆章渗流概述⼀、概念1.渗流（Seepage Flow）：是指流体在孔隙介质中的流动。
2.地下⽔流动：在⼟建⼯程中，渗流主要是指⽔在地表以下的⼟壤和岩⽯层中的流动，简称为地下⽔流动。
判断：地下⽔的流动与明渠流都是具有⾃由液⾯的流动。
错⼆、渗流理论的应⽤1.⽣产建设部门；如⽔利、化⼯、地质、采掘等部门。
2.⼟建⽅⾯的应⽤给⽔⽅⾯排灌⼯程⽅⾯⽔⼯建筑物建筑施⼯⽅⾯三、渗流问题确定渗流量：如确定通过闸坝地基或井等的渗流流量。
确定渗流浸润线的位置：如确定⼟坝坝体内的浸润线以及从井中抽⽔所形成的地下⽔⾯线的位置。
确定渗流压⼒：如确定渗流作⽤于闸坝底⾯上的压⼒。
估计渗流对⼟壤的破坏作⽤：计算渗流流速，估计发⽣渗流破坏的可能性，以便采取防⽌渗流破坏的措施。
四、⼟壤的⽔⼒特性不均匀系数：（12-1）式中：d60，d10——⼟壤颗粒经过筛分时分别有60%，10%重的颗粒能通过筛孔直径。
孔隙率n：是指单位总体积中孔隙所占的体积，。
沙质⼟：n=0.35~0.45；天然粘⼟、淤泥：n=0.4-0.6。
1.透⽔性透⽔性（hydraulic permeability）：是指⼟或岩⽯允许⽔透过本⾝的性能。
通常⽤渗透系数k来衡量，k值越⼤，表⽰透⽔性能越强。
均质⼟壤（homogeneous soil）：是指渗流中在同⼀⽅向上各处透⽔性能都⼀样的⼟壤。
⾮均质⼟壤（heterogeneous soil）：是指渗流中在同⼀⽅向上各处透⽔性能不⼀样的⼟壤。
各向同性⼟壤（isotropic soil）：是指各个⽅向透⽔性都⼀样的⼟壤。
各向异性⼟壤（anisotropic soil）：是指各个⽅向透⽔性不⼀样的⼟壤。
2.容⽔度容⽔度（storativity）：是指⼟壤能容纳的最⼤⽔体积与⼟壤总体积之⽐，数值与⼟壤孔隙率相等。
3.持⽔度持⽔度（retention capacity）：是指在重⼒作⽤下仍能保持的⽔体积与⼟的总体积之⽐。
第十二章 组分输运和反应流介绍
FLUENT提供了几种化学组分输运和反应流的模型，本章大致介绍一下这些模
型。详细的模型请参阅第十三章到第十六章，第十七章介绍污染形成模型。
12.1
组分与化学反应模拟概述
FLUENT可以模拟具有或不具有组分输运的化学反应。不待化学反应的组分输
运建模请参阅13.4节
下面是Fluent可以模拟的几种化学反应：
•
可能包括NOx和其它污染形成的气相反应。
•
在固体（壁面）处发生的表面反应（如化学蒸汽沉积）。
•
粒子表面反应（如炭颗粒的燃烧），其中的化学反应发生在离散相粒子表面。
19.3节会介绍液滴/粒子反应模拟的其它信息。
12.2
反应模拟的方法
FLUENT提供了四种模拟反应的方法：
•
通用有限速度模型
•
非预混和燃烧模型
•
预混和燃烧模型
•
部分预混和燃烧模型
以下四节会大致介绍一下上面四种模型。12.3节对模型的选择做大致的介绍。
12.2.1
通用有限速度模型
该方法基于组分质量分数的输运方程解，采用你所定义的化学反应机制，对
化学反应进行模拟。反应速度在这种方法中是以源项的形式出现在组分输运方程
中的，计算反应速度有几种方法：从Arrhenius速度表达式计算，从Magnussen
和Hjertager [149]的漩涡耗散模型计算或者从EDC模型[148]计算。这些模型
的应用范围是非常广泛的，其中包括预混和，部分预混和和非预混和燃烧，详细
内容请参阅第13章。
12.2.2
非预混和燃烧模型
在这种方法中，并不是解每一个组分输运方程，而是解一个或两个守恒标量
（混和分数）的输运方程，然后从预测的混合分数分布推导出每一个组分的浓度。
该方法主要用于模拟湍流扩散火焰。对于有限速度公式来说，这种方法有很多优
点。在守恒标量方法中，通过概率密度函数或者PDF来考虑湍流的影响。反映机
理并不是由我们来确定的，而是使用flame sheet（mixed-is-burned）方法或
者化学平衡计算来处理反应系统。具体请参阅第十四章。
层流flamelet模型是非预混和燃烧模型的扩展，它考虑到了从化学平衡状
态形成的空气动力学的应力诱导分离，具体请参阅14.4节。
12.2.3 预混和燃烧模型
这一方法主要用于完全预混合的燃烧系统。在这些问题中，完全的混合反应
物和燃烧产物被火焰前缘分开。我们解出反应发展变量来预测前缘的位置。湍流
的影响是通过考虑湍流火焰速度来计算得出的。具体请参阅第15章。
12.2.4部分预混和燃烧模型
顾名思义，部分预混和燃烧模型就是用于描述非预混和燃烧和完全预混和燃
烧结合的系统。在这种方法中，我们解出混合分数方程和反应发展变量来分别确
定组分浓度和火焰前缘位置。具体请参阅第十六章。
12.3 反应模型的选择
解决包括组分输运和反应流动的任何问题，首先都要确定什么模型合适。模
型选取的大致方针如下：
•
通用有限速度模型主要用于：化学组分混合、输运和反应的问题；壁面或
者粒子表面反应的问题（如化学蒸气沉积）。关于通用有限速度模型的详
细介绍请参阅第十三章。
•
非预混和燃烧模型主要用于：包括湍流扩散火焰的反应系统，这个系统接
近化学平衡，其中的氧化物和燃料以两个或者三个流道分别流入所要计算
的区域。具体请参阅第十四章。
•
预混和燃烧模型主要用：于单一、完全预混和反应物流动。具体请参阅第
十五章。
•
部分预混和燃烧模型主要用于：区域内具有变化等值比率的预混和火焰的
情况，具体请参阅第十六章。
