一、概述

不同温度的流体，分子热运动的激烈程度也不同；而不同组分的流体分子正是由于这种分子热运动而能够相互交融混合，流体温度越高，混合速度越快；这种基本的混合效应称为自由扩散，其变化规律一般认为受到斐克定律的支配。而实际工程中气体组分的扩散浓度场，则是由自由扩散和对流扩散两种效应共同决定的。

我们在工艺设计时，遇到的流体中多种组分共存的情况，有时还会伴随着各组分间的相互反应。当流体的在地温度超过了反应活化能所关联的反应阈值，反应就会开始，有些是可逆反应，有些是不可逆的。

我司能够模拟在非静止流场中的以上两种情况，详见以下案例的简介。

二、热解气扩散和（燃烧）反应模拟案例

本案例模拟的内容，是一型生物质热解炉内各种气体析出/注入、混合和燃烧反应的过程。设备底部为生物质颗粒的堆积料层区，料层区上表面为单独划定的气体薄层区，顶部为燃烧区, 右上为气体出口。示意图见下图：

整个设备中包括以下4类气体源：

（1）   料层区颗粒热解，并向上于整个气体薄层区段析出有机混合热解气；

（2）   气体薄层区左段外加的热解用空气（常温）；

（3）   气体薄层区右段外加的碳化用水蒸气（大于100℃）；

（4）   燃烧区喷嘴群外加的助燃用空气（常温）。

生物质颗粒热解以后的混合气体主要包括：CO、CO2、H2、CH4、H2O及生物质焦油等，成分极为复杂，混合气体可拟合为一个总体分子式C_n1 H_n2 O_n3 （具体比例数据此处略去）。本案例对混合气体燃料以总包、单步、不可逆反应的形式，模拟考虑涡耗散影响的湍流有限速率燃烧反应。概念性的反应方程式如下：

C_n1 H_n2 O_n3  +（k1）O₂  → （k2）CO₂ +（k3）H₂O

以下各图为模拟结果。其中，从<气体速度场>可见，助燃空气的喷射群尾迹，在各截面上表现为明显的高速点阵。

气体速度场-纵向截面

反应速率分布-纵向截面

总体温度场-纵向截面 

由以上两图可见，<反应速率分布>中的大红色最高速反应区，即对应<总体温度场>中的火焰中心区。一燃室的燃烧速率，外围区域与火焰中心区的差距很大，火焰中心区明显可见高浓度氧气喷射形成的高速率条带；二燃室的燃烧速率，则相对来说更均匀一些，大致分布也与温度场的形态相符。

热解混合气Cn1 Hn2 On3浓度场-纵向截面

氧气O2浓度场-纵向截面

水蒸气H2O浓度场-纵向截面

以上各浓度场图，量值大小均为质量占比分数。

由<热解混合气C_n1 H_n2 O_n3浓度场>可见，热解气2个极高浓度的区域主要位于气体薄层区附近，具体位置分别对应下部料床热解的大波峰和次波峰；薄层区中部的最高浓度热解混合气，因为上方的极高速燃烧而在向上扩散过程中浓度急剧衰减，而左边的次高浓度区因为上方的中低速燃烧而在向上扩散过程中浓度衰减较慢。

由<氧气O₂浓度场>可见，气体薄层区左段外加的热解用空气，提供了左侧高浓度的氧气分布，而右侧的氧气浓度，则受到了气体薄层区右段外加的大流量碳化用水蒸气的压制，左边的氧气不容扩散过去。

由<水蒸气H₂O浓度场>可见，气体薄层区右段外加的大流量碳化用水蒸气，扩散后的浓度很大，甚至局部压制了燃烧反应。而该图中部的条带状浅蓝色印记，则是H2O作为燃烧反应生成物的低浓度贡献。