基于COMSOL的燃烧反应仿真研究现状

关 键 词 ：燃 烧 法 ；仿 真 ；ＣＯＭＳＯＬ；模 拟 ；碳 纳 米 管 中图分类号：ＴＱ４２６．９１ 文献标志码 ：Ａ 文章编号：１Ｏ０１－９２１９（２０１８）０１－１２１－０５
１９９１年 日本 电 镜学 家 饭 岛在 使 用 电 弧法 制 备 富 勒烯 时 ，利 用 高分 辩率 电子 显微 镜 在 电极 阴 极 的 沉 积 物 中发现 了碳 的另 一 种 同素 异构 体 ，即全 部 由 碳 原 子构 成 的碳 纳米 管（ＣＮＴｓ１ ”。 由于碳 纳 米 管 为 纳 米 级尺 寸 。具 有 纳米 材 料所 特有 的基 本特 征 ，即 比表 面 积 大 、化 学 性 能 好 、机 械 及 热 稳 定 性 高 和成 本 低 等特 性 ，会 呈现 出不 同于 传统 材 料 的独 特 物理 化 学性 质【２Ｊ。所 以碳 纳 米管 的发 现 ，立 即 引起 了国 际 上 不 同科技 领域 众多 科学 家和 学者 们广 泛关 注 。
ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｈｉｐｈｙｓｉｃｓ是 一 款 以有 限元 法 为基 础 的高级 数 值仿 真 软件 ，广 泛 应用 于各 个 领域 的科 学研 究 以及 工 程 计算 。ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ通过 求解 偏微 分方 程（单 物理 场）或偏 微分方 程组（多物理 场）来 实现 真实 物理 现象 的仿真 ，在 多物理 场耦 合计 算 方 面具 有 较 大 的优 势 和 可靠 性 。同 时 ，ＣＯＭＳＯＬ 中定 义模 型 非 常 灵 活 ，材 料 属性 、边 界 条 件 等 可 以 是 常数 、变 量 、逻 辑 表 达式 、函数或 者是 一 个代 表实
收 稿 日 期 ：２０１７．０５．２３； 基 金 来 源 ： 山 西 省 重 大 科 技 专 项 （ＭＣ２０１５—０４）；作 者 简 介 ：武 斌 （１９９１．），男 ，硕 士 研 究 生 ， Ｅｍａｉｈ ９８６０９０４６８＠ｑｑ．ｃｏｍ； 通 讯 作 者 ：米 杰 ，教 授 ，博 导 ， Ｅｍａｉｌ：ｍｉｊｉｅｌ １ １＠１６３．ｃｏｒ ｎ。
目前 主要 有 以下 ４种 方法 可 获得 产 量 高 、管径 均 匀 、结构 缺 陷少 、杂质 含 量低 、成 本 相对 低 廉 的碳 纳 米 管 ：电弧 放 电法［３１、化 学 气相 沉 积 法嗍、激 光 蒸发 法［５１、燃烧合 成 法［６，７１。燃 烧法 与其 它三 种合 成方 法相 比 ，可 在 常 压 大气 条 件 下其 它合 成法 低 得 多 的成 本制 备 碳纳 米管 罔。然 而 ，燃 烧过 程是 燃料 与 氧化剂 发生 的剧 烈化 学反 应 ．在 反应 过程 中形 成 火焰 并 放 出 大 量 的热 ，同 时伴 有 流 动 、传 热 、传 质 等 现 象 的 发 生 ， 因此燃 烧是 一个 非常 复杂 的物 理化 学反 应过 程 。由 于 燃 烧 过 程 的 复 杂性 。在 很 长 一 段 时 间 内 ，人 们 只 能 通 过 实 验 的方 式来 简单 了解 燃 烧 现 象 的基 本 原 理 。随着 计算 机 的迅 猛 发 展 。以及 燃 烧 相关 理 论 的
第 １期
武 斌 等 ：基 于 ＣＯＭＳＯＬ的燃烧 反应 仿 真研 究现状
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基于 ＣＯＭＳＯＬ的燃烧反应仿真研究现状
武 斌 ，冯 宇 ，米 杰
ｆ太原 理工 大学 煤科 学 与技术 教育 部和 山西 省重 点实 验室 ，山西 太 原 ０３００２４）
摘 要 ：燃烧 法 合 成 碳 纳 米 管 因其 成 本 低 廉 、操 作 简 单 及 可 大 规 模 连 续 生 产而 备 受 关 注 ，然 而 燃 烧 反 应 是 一 个 复 杂 的 物 理 化 学 变 化 过程 ．单 纯 通 过 实 验难 以深 人 地 了解 其 本 质 特 征 。 ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ是一 款 以有 限元 为 基础 的数 值 模 拟 软 件 ，广 泛 应 用 于 物 理 、机 械 、电气 、力 学 、流体 流 动 和 化 学 等 领 域 ，其 模 拟化 学 反 应 过 程 的 优 势 在 于 可 灵 活 精 确 地 耦 合 反 应 中的 传 质 、传 热 、传 功 过 程 。本 文 重 点 介 绍 了采 用 ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ软 件 模 拟 燃 烧 反 应 的 研究 现状 与难 点 ，从 不 同物 理 场 结 合 的 角 度 阐 明 了 ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ在 模 拟 燃 烧 反 应 时 的优 势 ，并 由此 进 行 了 ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ应 用 在 燃 烧 法 合 成碳 纳 米 管 过 程 中 的 前 景 预 测 与 可 行性 分 析 。
发 展 。如 流 体 力 学 、化 学反 应 动 力 学 、传 热 学 等 ，燃 烧过 程 的数 值模 拟 也逐 步 发展 起来 ，并 被 学者 们广 泛应 用 。
化 工 过 程 模 拟 与 实验 研 究 的结 合 是 当前最 有 效 和最廉 价 的化 工 过程 研究 方 法 ，它 可 以大大 节 约 实验 成本 ，加快 新产 品和新 工 艺 的开 发过 程 。目前 ， 数 值模 拟 的方 法 主 要 为有 限差 分 法 和 有 限元 法 ［９１。 而对 于 复杂 的非 线 性 问题 （如 流体 力学 ），采用 非线 性有 限元 算法 求解 更加方 便Ｉ９－“】。因此采 用有 限元法 计算 燃烧 过程 是一 个合适 的选 择 。然 而非线 性数值 计算 具有 很 高 复杂 性 ，它 涉及 到很 多专 业 的数 学 问 题 和运算 技巧 ，很难 为一 般工 程技术 人 员所 掌握［１２】。 因 此 ，利 用 求 解 结 构非 线 性 、流体 动 力 学 和 耦合 场 问 题 的有 限元 方 法 和 软件 是 提高 数 值 模 拟 效率 的 重 要 方法 。有 限元 法求 解 问题 的基 本 过 程 主要 包 括 ：分析 对 象 的离散 化 、有 限元 求解 、计 算 结果 的后 处理 三部 分【ｌ３】。研究 证 明 ，通过有 限元法 求解 问题 ， 只要 用 于离 散求 解 对象 的单元 足 够小 ．所 得 的解就 可足 够逼 近 于理论 值 ５ １。