一种用于cfd的高焓离解气体表面催化反应速率的求解方法
阅读说明：本技术 一种用于cfd的高焓离解气体表面催化反应速率的求解方法 (Solving method for high enthalpy dissociation gas surface catalytic reaction rate for CFD ) 是由 李芹 杨肖峰 刘磊 肖光明 魏东 杜雁霞 桂业伟 董威 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于CFD的高焓离解气体表面催化反应速率的求解方法,包括基于固体表面存在有限个数的吸附位点的理论,求解气相反应物在固体表面吸附位点上发生的四步反应的反应速率；其中,气相反应物在固体表面吸附位点上发生的四步反应分别为：气相原子的化学吸附、一个气相原子和一个吸附原子的ER复合、两个吸附原子的LH复合和吸附原子的热解附。通过本发明方法获得的反应速率可用以解决化学非平衡流场求解过程遇到的催化壁面表征困难、边界质量能量输运不准确的问题。(The invention discloses a method for solving the catalytic reaction rate of a high-enthalpy dissociation gas surface for CFD (computational fluid dynamics), which comprises the steps of solving the reaction rate of four-step reaction of a gas-phase reactant on an adsorption site on a solid surface based on the theory that the adsorption site with a limited number exists on the solid surface; wherein, the four-step reaction of the gas-phase reactant on the solid surface adsorption site is respectively as follows: chemical adsorption of gas phase atoms, ER recombination of one gas phase atom and one adsorbate atom, LH recombination of two adsorbate atoms and thermal desorption of the adsorbate atoms. The reaction rate obtained by the method can be used for solving the problems of difficult characterization of the catalytic wall surface and inaccurate energy transportation of boundary mass in the chemical non-equilibrium flow field solving process.)
技术领域
本发明属于数值计算处理领域，尤其涉及可用于计算流体力学(CFD)的、基于多步反应机理和表面微细观参数来求解高焓离解气体各组分在固体材料表面的多相催化反应速率的方法。
背景技术
在飞行器化学非平衡绕流流场和表面气动热的数值计算中，需要考虑表面催化反应对流动和换热的影响，目前各组分的净复合系数是表征各个组分净反应速率的重要参数。
目前多采用给定复合系数为0-1之间的常数或Arrhenius形式的关联式，前者不考虑表面条件的影响，而后者也仅将表面温度的影响考虑在内，因此现有的计算方法无法体现真实的表面物理化学过程，带来表面催化反应速率的不确定性，进而导致流场和气动热计算的不确定性。
因此需要发展可用于计算流体力学(CFD)的、能够表征真实的表面反应过程的方法，包含反应动力学机理、各个反应步骤的速率确定方法等问题。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种用于CFD的高焓离解气体表面催化反应速率的求解方法，获得的反应速率将用以解决化学非平衡流场求解过程遇到的催化壁面表征困难、边界质量能量输运不准确的问题。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种用于CFD的高焓离解气体表面催化反应速率的求解方法，包括基于固体表面存在有限个数的吸附位点的理论，求解气相反应物在固体表面吸附位点上发生的四步反应的反应速率；其中，气相反应物在固体表面吸附位点上发生的四步反应分别为：气相原子的化学吸附、一个气相原子和一个吸附原子的ER复合、两个吸附原子的LH复合和吸附原子的热解附。所述求解方法包括如下步骤：a：分析当前的流场组分环境，得到气相反应物的浓度；b：根据固体表面参数得到各步反应的速率常数；c：基于速率常数和流场环境获得各步的反应速率；d：以稳定状态下吸附相浓度不随时间改变为约束方程，求解真实的吸附相浓度；e：根据反应物浓度和速率常数获得各步真实反应速率，并得到各反应步共同导致的各组分净反应速率。
根据一个优选的实施方式，，所述步骤a包括：根据非平衡流场求解器获得当前流场，并获得流场网格中壁面法向第一层网格上的气体A的组分浓度cA。
根据一个优选的实施方式，所述步骤b包括：令固体表面的吸附位个数为S0，根据固体表面温度Tw、各步反应的概率系数P，活化能E、表面原子的微观运动速率v、吸附位间的平均距离dS获得各步反应的反应速率常数k：
其中，R为通用气体常数，h为普朗克常数，下标Ad、ER、LH、Td分别代表吸附、ER复合、LH复合和热解附四种反应类型；且气相原子的三维平均热运动速度v3D和固体表面原子二维平均热速度v2D分别为：
其中，MA为原子质量。
根据一个优选的实施方式，所述步骤c包括：基于步骤a和步骤b获得的反应物浓度cA和速率常数，针对原子组分A发生的四步反应过程，其中吸附反应生成吸附相原子A(*)、ER/LH复合、热解附消耗吸附相原子A(*)，其中Av为阿伏伽德罗常数，其对应的各步反应速率为，RAd＝cA×(S0/Av-cA(*))×kAd；
RER＝cA×cA(*)×kER；
RLH＝cA(*)×cA(*)×kLH；
RTd＝cA(*)×kTd。
根据一个优选的实施方式，所述步骤d包括：稳定状态下，表面吸附相的浓度不随时间而改变，吸附反应生成吸附相原子A(*)的速率与ER、LH复合和热解附消耗A(*)的速率达到平衡，即是：
从而，基于该约束方程，完成吸附相反应物A(*)的浓度cA(*)的求解。
根据一个优选的实施方式，所述步骤e包括：基于各步反应的速率，获得当前该原子及其相应的双原子分子的净反应速率；
R(A)＝-RER-2×RLH
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，各非冲突选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：本发明方法以真实的多步催化反应过程为理论基础，并根据真实的宏微观表面参数分别确定每一步反应的理论速率，最后考虑各步反应之间的约束和影响，得到真实的各步反应速率。该方法依赖于真实的表面物理化学过程和表面参数，因此更具确定性，同时具有材料依赖性。利用该催化反应速率求解方法作为边界条件计算得到的不同材料表面的气动热Q与实验的对比，证明了该方法的准确性和有效性。
附图说明
图1是本发明方法进行多相催化反应中组分净反应速率的求解流程；
图2是本发明方法涉及的多相催化反应的过程示意图；
图3是本发明方法的气动热求解精度验证。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：
参考图1至图3所示，本发明公开了一种用于CFD的高焓离解气体表面催化反应速率的求解方法。
本发明的求解方法是根据化学反应动力学理论，基于固体表面存在有限个数的吸附位点的理论假设，求解在此吸附位点上发生的四步反应：气相原子的化学吸附、一个气相原子和一个吸附原子的Eley-Rideal(ER)复合、两个吸附原子的Langmuir-Hinshelwood(LH)复合和吸附原子的热解附。
每一步反应消耗或生成原子的速率由各步反应的速率常数和反应物浓度共同决定，各步反应速率常数考虑了表面温度、反应活化能等物理参数的影响，气相反应物的浓度由非平衡流场求解器获得，表面吸附相反应物的浓度由稳态下表面吸附位的覆盖率不随时间改变求解得到。
本发明获得的反应速率将用以解决化学非平衡流场求解过程遇到的催化壁面表征困难、边界质量能量输运不准确的问题。
参考图1所示，本发明求解界面上由催化反应导致的各组分净反应速率的方法流程主要包括以下步骤：
a.根据非平衡流场CFD求解器获得当前流场，提取流场网格中壁面法向第一层网格上的气体A的组分浓度cA(单位mol/m3)。将该气体组分作为多相催化求解方法的输入条件之一。
b.假定固体表面的吸附位个数为S0(单位1/m2)，根据固体表面温度TW、活化能E、各步反应的概率系数P，气相原子的三维平均热速度v3D、表面原子的二维平均热速度v2D、吸附位间的平均距离dS等获得各步反应的反应速率常数kAd、kER、kLH、kTd。其中下标Ad、ER、LH、Td分别代表吸附、ER复合、LH复合和热解附四种反应类型：
h为普朗克常数，其中原子的三维和二维平均热速度v3D和v2D通过固体表面温度、通用气体常数R和原子的质量MA计算：
c.针对原子组分A发生的四类反应过程(如图2)，基于a和b获得的气相反应物浓度cA、计算过程中得到吸附相原子浓度cA(*)(单位mol/m3)和速率常数，可以得到四类反应的速率，见表1，其中Av为阿伏伽德罗常数。四种反应类型中，吸附反应生成吸附相原子A(*)，ER/LH复合、热解附消耗A(*)，吸附相反应物的浓度cA(*)作为待解变量；
表1四种反应类型的理论反应速率
d.吸附相反应物浓度cA(*)的求解：稳定状态下，表面吸附相的浓度应不随时间而改变，因此，吸附反应生成吸附相原子A(*)的速率与ER、LH复合和热解附消耗A(*)的速率应该达到平衡(式(7))，该平衡方程为关于cA(*)的一元二次方程，求解即可获得当前吸附相反应物的浓度cA(*)；
e.至此，该迭代步下各步反应的速率常数和气相、吸附相反应物浓度均已获得，求得各步反应的速率后，四步反应分别导致的气相原子A变化速率叠加，即获得当前该原子及其相应的双原子分子的净反应速率R(A)和R(A2)；
R(A)＝-RAd-RER-2×RLH+RTd (8)
f.根据个流动边界上的质量和能量守恒，多相催化反应对流场控制方程组所起的传热和传质作用均可用e步中获得的组分A的净反应速率R(A)表示，因此该方法所求得的净反应速率可以直接用于CFD求解；
本发明方法以真实的多步催化反应过程为理论基础，并根据真实的宏微观表面参数分别确定每一步反应的理论速率，最后考虑各步反应之间的约束和影响，得到真实的各步反应速率。该方法依赖于真实的表面物理化学过程和表面参数，因此更具确定性，同时具有材料依赖性。利用该催化反应速率求解方法作为边界条件计算得到的不同材料表面的气动热Q与实验的对比如图3所示，证明了该方法的准确性和有效性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。