化学反应模型

化学反应模型（英语：chemical reaction model）将物理知识转化为数学公式，可用于化学工程中实际问题的计算模拟。计算机模拟为研究各种条件下的化学过程提供了灵活性。化学反应的建模涉及求解描述每个组成成分的对流、扩散和反应源的守恒方程。

物质输送方程

${\frac {\partial (\rho Y_{i})}{\partial t}}+\nabla \cdot (\rho {\vec {v}}Y_{i})=-\nabla \cdot {\vec {J}}_{i}+R_{i}$

R_i是组成i通过化学反应的净生产率，而S_i是通过从分散相和给定的来源添加而产生的速率。J_i是组成i的扩散通量，它是由于浓度梯度而产生的，且在层流和紊流中不同。在紊流中，计算流体力学还考虑了紊流扩散率的影响。由于反应而产生的化学组成“i”的净来源，R_i在组成输送方程中作为源项出现，以组成之所有源项总和除以N_R个反应方式计算。

反应模型

这些反应速率“R”可以通过以下模型计算：

1. 层流有限速率模型
2. 涡耗散模型
3. 涡耗散概念

层流有限速率模型

层流有限速率模型使用阿瑞尼斯表达式计算化学源项并忽略紊流波动。该模型为层流火焰提供了精确解，但为紊流火焰提供了不准确的解，在这种情况下，由于高度非线性的阿瑞尼斯化学动力学，紊流会严重影响化学反应速率。然而，该模型对于具有小紊流波动的燃烧可能是准确的，例如超音速火焰。

涡耗散模型

涡耗散模型或马格努森模型基于马格努森和耶尔塔格的工作，是一种紊流化学反应模型。大多数燃料燃烧速度很快，总反应速率由紊流混合控制。在非预混火焰中，紊流将燃料和氧化剂缓慢混合到反应区，并在那里快速燃烧。在预混火焰中，紊流将冷反应物和热产物缓慢混合到反应迅速发生的反应区。在这种情况下，燃烧被认为是混合限制的，并且可以安全地忽略复杂且通常未知的化学动力学。在这个模型中，化学反应受大涡混合时间尺度的控制。只要流动中存在紊流，燃烧就会开始。它不需要点火源来启动燃烧。这种类型的模型对非预混燃烧有效，但对于预混火焰，假定反应物在进入计算模型时燃烧，这是该模型的缺点，因为在实践中反应物需要一些时间达到着火温度以开始燃烧。

涡耗散概念

涡耗散概念模型是涡耗散模型的扩展，包括紊流中详细的化学机制。涡耗散概念模型试图将精细结构的重要性纳入燃烧很重要的紊流反应流中。涡耗散概念模型已被证明是有效的，无需改变各种预混和扩散控制燃烧问题的常数，无论是化学动力学比整体精细结构混合更快还是化学动力学具有主导影响的情况。

参考文献

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• Henk Kaarle Versteeg, Weeratunge Malalasekera. An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method.
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