مدلسازی جریان واکنش در محیط متخلخل

برای هر کسی که علاقه‌مند به مدل‌سازی واکنش‌های شیمیایی و/یا جریان از طریق محیط متخلخل است، ما یک ویدیو ایجاد کرده‌ایم تا نشان دهیم که چگونه نرم‌افزار شبیه‌سازی COMSOL Multiphysics چنین برنامه‌هایی را مدیریت می‌کند. این تور تعاملی خود را از مستندات مدل برای مدل راکتور متخلخل ما در نظر بگیرید.

آموزش تصویری برای مدلسازی جریان واکنش در رسانه متخلخل

در این ویدیو (که کمی دورتر در صفحه تعبیه شده است)، به جزئیات می پردازیم که چه ورودی هایی مورد نیاز است و چه نتایجی را می توانید در مدل راکتور متخلخل به دست آورید. پس از مشاهده نتایج پیش‌فرض ، نتایج اضافی را ارائه می‌کنیم و راکتور کارآمدتری ایجاد می‌کنیم.

در مدلی که ما برای این ویدیو استفاده کردیم، یک ماده شیمیایی گونه B از طریق یک کانال اصلی جریان می یابد و گونه دوم A از طریق یک سوزن اتصال به آن تزریق می شود. در پایین تر از کانال، آنها از یک بستر کاتالیزوری متخلخل عبور می کنند و یک واکنش شیمیایی غیرقابل برگشت مرتبه دوم را ایجاد می کنند که گونه سوم C را ایجاد می کند. سرعت واکنش، R _C ، با این معادله تعریف می شود:. در این معادله،وغلظت های مربوط به گونه های A و B هستند وضریب سرعت واکنش است که توسط معادله آرنیوس تعریف می شود.فاکتور فرکانس است،انرژی فعال سازی است،ثابت گاز جهانی است ودما است.

ابتدا، مدل راکتور متخلخل با سوزن تزریقی را از کتابخانه مدل (همچنین در گالری مدل، اینجا قرار دارد) باز می کنیم و نگاهی به تنظیمات و نتایج پیش فرض مدل می اندازیم. علاوه بر این، نمودارهای نتایج را اضافه کرده و اثربخشی راکتور را بررسی می کنیم. با توجه به اینکه سوزن تزریق خیلی نزدیک به بستر کاتالیست متخلخل است، سوزن را دورتر می کنیم و مدل را دوباره اجرا می کنیم.

خودتان ببینید این چه شکلی است (یا رونویسی ارسال شده در زیر ویدیو را بخوانید):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7:04

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

رونویسی

این مدل راکتور متخلخل فرآیند کاتالیز ناهمگن را نشان می دهد، که در آن دو واکنش دهنده، گونه A و گونه B، به ترتیب از طریق یک لوله تزریق و یک لوله اصلی وارد مدل می شوند. آنها قبل از عبور از بستر کاتالیزوری متخلخل تا حدی در کانال اصلی مخلوط می شوند و گونه سوم C را تشکیل می دهند. نتایج پیش فرض سرعت، فشار و توزیع گونه ها را در این راکتور نشان می دهد، در حالی که داده های دقیق تری نیز نشان داده خواهد شد.

در این نمایش، مدل “راکتور متخلخل” را از کتابخانه مدل، واقع در زیر ماژول مهندسی واکنش شیمیایی باز خواهیم کرد. سپس به معادلات حاکم که مدل را تعریف می کنند نگاه می کنیم و جنبه های مختلف مانند هندسه و نتایج را اصلاح می کنیم.

بیایید ابتدا نگاهی به مراحل اولیه مدل سازی برای راه اندازی مدل بیندازیم. یک پارامتر برای دما در سراسر مدل ایجاد شده است و سه متغیر در جدول متغیرها برای سرعت واکنش، ضریب فرکانس و انرژی فعال سازی ایجاد شده است که همگی در آینده در مدل استفاده می شوند. هندسه مورد استفاده برای ساخت مدل برای بازرسی و اصلاح توسط کاربر در دسترس است و مواد به راحتی برای بازرسی در دسترس هستند. نیتروژن گاز حامل در مدل است و از خواص آن برای تعریف جریان و انتقال استفاده می شود.

این مدل ویژگی های پدیده حمل و نقل زیر را در نظر می گیرد. کانال جریان آزاد با معادلات ناویر-استوکس مدل شده است و حوزه رسانه متخلخل شامل معادله برینکمن، توسعه معادلات ناویر-استوکس است. خواص انتقال جرم از طریق انتشار و همرفت با سینتیک واکنش شیمیایی تعریف می شود. در نهایت انتقال حرارت در این واکنش دخالتی ندارد، بنابراین شرایط همدما را فرض می کنیم.

در این مدل، ماژول مهندسی واکنش شیمیایی جریان را در داخل راکتور با استفاده از رابط فیزیک “جریان واکنش در محیط متخلخل” شبیه‌سازی می‌کند، که هر دو حوزه جریان آزاد و رسانه متخلخل را پشتیبانی می‌کند.

گره Transport Properties جریان سیال را در سراسر مدل تعریف می کند. از معادلات ناویر-استوکس برای در نظر گرفتن خصوصیات جریان استفاده می‌کند که به ورودی‌هایی برای دما، فشار مطلق، چگالی و ویسکوزیته دینامیکی و همچنین پروفیل‌های سرعت ورودی برای هر یک از گونه‌ها نیاز دارد. اینها را می توان از برگه Physics در نوار ایجاد کرد.

خواص حمل و نقل جرم نیز در گره Transport Properties از طریق انتشار و همرفت تعریف شده است. این به ورودی‌هایی برای متغیر سرعت واکنش نیاز دارد که قبلاً در جدول متغیرها به عنوان k تعریف شده‌اند، برای غلظت‌هایی که در گره‌های جریان ورودی تعریف شده‌اند، و برای نفوذی که در گره ویژگی‌های انتقال توسط کاربر تعریف شده است.

گره ویژگی‌های ماتریس متخلخل، جریان سیال را در سرتاسر بستر تعریف می‌کند و از معادله برینکمن استفاده می‌کند که توسعه‌ای از معادله ناویر-استوکس است. معادله برینکمن شامل تخلخل و نفوذپذیری محیط متخلخل است که مجدداً توسط کاربر مشخص شده است.

گره Reactions برای محاسبه مصرف گونه A و B و تولید گونه C استفاده می شود. این کار را با استفاده از متغیر سرعت واکنش که قبلا تعریف کردیم و غلظت گونه A و گونه B انجام می دهد.

فرآیندهایی مانند این که هم جریان سیال و هم انتقال جرم را شامل می شود، اغلب با استفاده از مش هیبرید شده که می تواند از عناصر مختلف استفاده کند، مناسب تر است. با انتخاب مش های کنترل شده توسط کاربر و کلیک روی اندازه ها، می توانیم مش های مختلف استفاده شده را تجسم کنیم. در این مدل از یک شبکه لایه مرزی برای حل میدان نزدیک به دیوارها و یک شبکه چهار وجهی آزاد برای حل میدان در جای دیگر استفاده می شود.

در این مرحله به سراغ نتایج می رویم. پس از اجرای شبیه سازی، COMSOL Multiphysics به طور خودکار نتایج سه بعدی سرعت، افت فشار در راکتور و غلظت گونه A را تولید می کند که در آن اثر محیط متخلخل آشکار است. در این حالت، سرعت با اضافه کردن یک نمودار سطحی به منظور تغییر سرعت روی راکتور بهتر دیده می‌شود.

با دو بار کپی کردن نمودار غلظت، می‌توانیم غلظت هر دو گونه B و گونه C را به راحتی مشاهده کنیم. با باز کردن گره Surface و تغییر عبارت به c underscore B و کلیک کردن بر روی نمودار می‌توان غلظت گونه B را مشاهده کرد. همین کار را برای گونه C در نمودار غلظت دیگر انجام دهید. همانطور که می بینید، غلظت گونه C در محیط متخلخل به طور یکنواخت توزیع نشده است. این نشان می دهد که سوزن تزریق خیلی نزدیک به بستر واکنش قرار گرفته است که اجازه نمی دهد تا گونه A و گونه B قبل از رسیدن به کاتالیزور مخلوط شوند. برای مشاهده این به روشی متفاوت، نتایج را انتخاب کرده و یک گروه طرح 1 بعدی اضافه می کنیم. در این مرحله، نمودار خط را انتخاب می کنیم و ورودی رسانه متخلخل را انتخاب می کنیم. اکنون به عبارت می رویم و عبارت نرخ کل را برای گونه C اضافه می کنیم و روی نمودار کلیک می کنیم.

در این مرحله به راحتی می‌توانیم هندسه مدل را تغییر دهیم تا سوزن را از بستر کاتالیست دورتر کنیم. با رفتن به هندسه و تنظیم موقعیت سوزن تزریق از سه میلی‌متر به یک میلی‌متر در امتداد محور x و سپس کلیک کردن روی build all objects، می‌بینید که سوزن در طول مدل حرکت می‌کند. اکنون برای اجرای مجدد مطالعه و پیشبرد سریع شبیه سازی بر روی محاسبه کلیک می کنم. هنگامی که اجرای شبیه‌سازی به پایان رسید، به راحتی می‌توانیم مشاهده کنیم که غلظت گونه C بسیار یکنواخت‌تر است و می‌توانیم برای تأیید این موضوع روی نمودار خطی کلیک کنیم. همانطور که می بینید، سرعت توزیع یکنواخت تری در راکتور بستری دارد که گونه C در آن تولید می شود.

سایر کاربردهای مرتبط با این مثال شامل جداکننده ها و راکتورهایی است که از جذب و جذب استفاده می کنند.