comsol案例(comsol案例库)

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1、我们知道，物质的受热分解在化学中乃至我们的日常生活中都很常见，例如铵盐的受热分解，硝酸盐的受热分解，还有一些有机物的分解等等。

2、我们要分析物质分解过程产生的一些变化情况，可以通过仿真的手段来进行分析，在这里，我们今天主要是要利用COMSOL软件来模拟一个简单的热分解反应过程，从而得到此过程中物质发生的变化，例如流体的流速、物质的浓度、反应器中的温度分布情况等。

3、 该反应在下图中的反应器中进行的，含有反应物的流体从左侧入口进入反应器，流经一段距离后底部会经过一个阶梯，之后再反应器中内置一个圆柱体热源，最后从右侧出口流出。

4、对于以上的三维模型，我们可以进行简化处理，由于流体在y轴方向上的分布情况是一定的，所以可以将模型简化为二维模型，对应的在软件中的操作即选择2D模型。

5、如下图所示。

6、以下要进行物理场的选择，首先分析问题，在此问题中涉及到了三个物理场，分别为：流体流动、质量运移和热传导。

7、流体的流动方式我们选用的是层流运动，这主要是根据雷诺数计算得到的；热传导主要包括固体传热、流体传热、多孔介质传热和生物热四种，很明显，在这里我们要选择流体传热；而物质运移方面我们选用的物理场是稀物质的传递，这主要与物质的浓度相关，如果物质在整个流体中所占的摩尔百分比大于10%，那么就选择浓物质的传递，而这里，我们计算得到的物质的含量为2%，所以选择稀物质的传递。

8、确定好物理场后，我们确定的就是求解问题，如果与时间相关的话就是瞬态问题，如果与时间无关那么就对应稳态问题。

9、 以下我们分别分析各个物理场中的守恒方程及各个场之间的耦合情况。

10、首先，对于第一个物理场，即流体的流动场，流体为不可压缩流体，它所对应的方程为Navier-Stokes方程：，又由于流体流动过程中动量守恒，所以满足： ，此过程中涉及的边界条件有：入口处的速度为u0，出口处的压力为p0，反应器的平板表面和热圆柱体表面为无滑动边界，即速度为0。

11、第二个物理场，热传递过程中满足的能量守恒方程为：，它所满足的边界条件是：入口处温度为300K，圆柱表面温度为325K，出口：能量传递方式全部为对流，所以通过传导的热通量为0，在反应器的平板表面是热绝缘的，也就是通过其法线方向的热通量为0。

12、第三个物理场，稀物质运移，满足以下质量守恒方程：，同理，它满足的边界条件为：入口处的浓度为ci＝ci,0，出口：只考虑对流传递，所以通过扩散的质量通量为0，反应器平板表面和热圆柱体表面没有质量流出，即质量通量为0。

13、 以上所提到的边界条件在软件中的实现是需要在各个物理场中分别进行设定的。

14、这三个物理场之间是有关系的，那么它们是怎么进行耦合的呢？流体流动会产生能量，从而会使温度发生变化，而流体的速度和温度变化又对流体中物质的浓度产生影响，反过来，物质浓度发生变化时，对流体的温度也会有反作用，所以，流动场会影响温度场，流动场和温度场会共同影响质量运移，而质量运移又会反过来影响温度变化。

15、 由于物质受热易分解，在上述过程中考虑分解反应，由于分解反应是一个放热反应，那么它会对物质的浓度和流体的温度产生影响，同时，温度也会对反应速率产生影响。

16、具体在软件中的操作是通过下图中的方式实现的，即在热传导物理场中加入一个反应热作为热源。

17、通过软件的模拟，可以得到以下结果：（1）下图是流体的速度分布图，由图可知，流体的流速与横截面积有关，通过台阶和热圆柱处的横截面积发生变化，流速也会变化，具体情况是当横截面积变小时，流速增大，且在以上两处流体会发生回流现象。

18、 （2）下图是在受热前不考虑分解反应时的温度分布图，由图可见，在流体经过热圆柱体之前，温度较低基本没有发生改变，当经过热的圆柱体后温度升高，且发生了分解反应会放热所以温度会逐渐升高。

19、（3）下图表示考虑物质的分解反应，且在受热前即发生了部分分解的浓度分布图，可见，经过圆柱体前即在受热前，物质的分解较缓慢，浓度降低较小，受热后发生分解，浓度明显降低，在台阶和壁面处，虽然温度较低，但是由于停留时间比较长，反应的程度较高，所以浓度非常低。

20、（4）下图为考虑物质的分解反应且在受热前就发生部分分解的温度变化图，可见，随着流体的流动，温度会逐渐增加，但是由于分解较少，产生的反应热较小，所以在受热前的温度升高不大，在经过热的圆柱体后由于较多物质发生反应从而使温度增加较多，甚至高于圆柱体本身的温度。

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