CFD中的化学反应
在CFD的燃烧以及反应流中，需要求解化学反应。有的时候化学反应要涉及到上千个。因此对化学反应标准化很有必要。在商业软件Fluent以及开源软件OpenFOAM中，化学反应组件部分的输入均参考chemkin。chemkin是老牌的用于处理化学反应的软件包。
在OpenFOAM中，典型的输入文件包含chem.inp文件以及thermo.dat文件。OpenFOAM会将其转换为OpenFOAM可以读取的格式。chem.inp文件以及thermo.dat文件如下：
ELEMENTS
H O C N AR
END
SPECIES
H2 H O2 O OH HO2 H2O2 H2O AR N2
END
REACTIONS
OH+H2=H+H2O 2.14E+08 1.52 3449.0 !MARINOV 1995A
O+OH=O2+H 2.02E+14 -0.4 0.0 !MARINOV 1995A
O+H2=OH+H 5.06E+04 2.67 6290.0 !MARINOV 1995A
H+O2(+M)=HO2(+M) 4.52E+13 0.0 0.0 !MARINOV 1995A
LOW / 1.05E+19 -1.257 0.0 / !MARINOV 1995A
H2O/0.0/ H2/0.0/ N2/0.0/
H+O2(+N2)=HO2(+N2) 4.52E+13 0.0 0.0 !MARINOV 1995A
LOW / 2.03E+20 -1.59 0.0 / !MARINOV 1995A
H+O2(+H2)=HO2(+H2) 4.52E+13 0.0 0.0 !MARINOV 1995A
LOW / 1.52E+19 -1.133 0.0 / !MARINOV 1995A
H+O2(+H2O)=HO2(+H2O) 4.52E+13 0.0 0.0 !MARINOV 1995A
LOW / 2.10E+23 -2.437 0.0 / !MARINOV 1995A
OH+HO2=H2O+O2 2.13E+28 -4.827 3500.0 !HIPPLER 1995
DUP
OH+HO2=H2O+O2 9.10E+14 0.0 10964.0 !HIPPLER 1995
DUP
H+HO2=OH+OH 1.50E+14 0.0 1000.0 !MARINOV 1995A
H+HO2=H2+O2 8.45E+11 0.65 1241.0 !MARINOV 1995A
H+HO2=O+H2O 3.01E+13 0.0 1721.0 !MARINOV 1995A
O+HO2=O2+OH 3.25E+13 0.0 0.0 !MARINOV 1995A
OH+OH=O+H2O 3.57E+04 2.4 -2112.0 !MARINOV 1995A
H+H+M=H2+M 1.00E+18 -1.0 0.0 !MARINOV 1995A
H2O/0.0/ H2/0.0/
H+H+H2=H2+H2 9.20E+16 -0.6 0.0 !MARINOV 1995A
H+H+H2O=H2+H2O 6.00E+19 -1.25 0.0 !MARINOV 1995A
H+OH+M=H2O+M 2.21E+22 -2.0 0.0 !MARINOV 1995A
H2O/6.4/
H+O+M=OH+M 4.71E+18 -1.0 0.0 !MARINOV 1995A
H2O/6.4/
O+O+M=O2+M 1.89E+13 0.0 -1788.0 !MARINOV 1995A
HO2+HO2=H2O2+O2 4.20E+14 0.0 11982.0 !MARINOV 1995A
DUP
HO2+HO2=H2O2+O2 1.30E+11 0.0 -1629.0 !MARINOV 1995A
DUP
OH+OH(+M)=H2O2(+M) 1.24E+14 -0.37 0.0 !MARINOV 1995A
LOW / 3.04E+30 -4.63 2049.0 / !MARINOV 1995A
TROE / 0.470 100.0 2000.0 1.0E+15/
H2O2+H=HO2+H2 1.98E+06 2.0 2435.0 !MARINOV 1995A
H2O2+H=OH+H2O 3.07E+13 0.0 4217.0 !MARINOV 1995A
H2O2+O=OH+HO2 9.55E+06 2.0 3970.0 !MARINOV 1995A
H2O2+OH=H2O+HO2 2.40E+00 4.042 -2162.0 !MARINOV 1995A
END
THERMO ALL
200.000 1000.000 5000.000
AR 120186AR 1 G 0200.00 5000.00 1000.00 1
0.02500000E+02 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 2
-0.07453750E+04 0.04366001E+02 0.02500000E+02 0.00000000E+00 0.00000000E+00 3
0.00000000E+00 0.00000000E+00-0.07453750E+04 0.04366001E+02 4
H 120186H 1 G 0200.00 5000.00 1000.00 1
0.02500000E+02 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 2
0.02547163E+06-0.04601176E+01 0.02500000E+02 0.00000000E+00 0.00000000E+00 3
0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.02547163E+06-0.04601176E+01 4
H2 121286H 2 G 0200.00 5000.00 1000.00 1
0.02991423E+02 0.07000644E-02-0.05633829E-06-0.09231578E-10 0.01582752E-13 2
-0.08350340E+04-0.01355110E+02 0.03298124E+02 0.08249442E-02-0.08143015E-05 3
-0.09475434E-09 0.04134872E-11-0.01012521E+05-0.03294094E+02 4
H2O 20387H 2O 1 G 0200.00 5000.00 1000.00 1
0.02672146E+02 0.03056293E-01-0.08730260E-05 0.01200996E-08-0.06391618E-13 2
-0.02989921E+06 0.06862817E+02 0.03386842E+02 0.03474982E-01-0.06354696E-04 3
0.06968581E-07-0.02506588E-10-0.03020811E+06 0.02590233E+02 4
H2O2 120186H 2O 2 G 0200.00 5000.00 1000.00 1
0.04573167E+02 0.04336136E-01-0.01474689E-04 0.02348904E-08-0.01431654E-12 2
-0.01800696E+06 0.05011370E+01 0.03388754E+02 0.06569226E-01-0.01485013E-05 3
-0.04625806E-07 0.02471515E-10-0.01766315E+06 0.06785363E+02 4
HO2 20387H 1O 2 G 0200.00 5000.00 1000.00 1
0.04072191E+02 0.02131296E-01-0.05308145E-05 0.06112269E-09-0.02841165E-13 2
-0.01579727E+04 0.03476029E+02 0.02979963E+02 0.04996697E-01-0.03790997E-04 3
0.02354192E-07-0.08089024E-11 0.01762274E+04 0.09222724E+02 4
O 120186O 1 G 0200.00 5000.00 1000.00 1
0.02542060E+02-0.02755062E-03-0.03102803E-07 0.04551067E-10-0.04368052E-14 2
0.02923080E+06 0.04920308E+02 0.02946429E+02-0.01638166E-01 0.02421032E-04 3
-0.01602843E-07 0.03890696E-11 0.02914764E+06 0.02963995E+02 4
O2 121386O 2 G 0200.00 5000.00 1000.00 1
0.03697578E+02 0.06135197E-02-0.01258842E-05 0.01775281E-09-0.01136435E-13 2
-0.01233930E+05 0.03189166E+02 0.03212936E+02 0.01127486E-01-0.05756150E-05 3
0.01313877E-07-0.08768554E-11-0.01005249E+05 0.06034738E+02 4
OH 121286O 1H 1 G 0200.00 5000.00 1000.00 1
0.02882730E+02 0.01013974E-01-0.02276877E-05 0.02174684E-09-0.05126305E-14 2
0.03886888E+05 0.05595712E+02 0.03637266E+02 0.01850910E-02-0.01676165E-04 3
0.02387203E-07-0.08431442E-11 0.03606782E+05 0.01358860E+02 4
N2 121286N 2 G 0200.00 5000.00 1000.00 1
0.02926640E+02 0.01487977E-01-0.05684761E-05 0.01009704E-08-0.06753351E-13 2
-0.09227977E+04 0.05980528E+02 0.03298677E+02 0.01408240E-01-0.03963222E-04 3
0.05641515E-07-0.02444855E-10-0.01020900E+05 0.03950372E+02 4
END
上述文件的详细解读可以参考chemkin的手册。现简要进行分析。
首先看chem.inp其中的ELEMENTS，表示反应中涉及到的所有元素。SPECIES表示反应中涉及到的所有组分。REACTIONS表示涉及到的所有的化学反应。例如对于下面这一行：
OH+H2=H+H2O 2.14E+08 1.52 3449.0 !MARINOV 1995A
首先，!感叹号后面的部分表示注释。OH+H2=H+H2O表示会发生的化学反应。化学反应的速率可以表示为：
(1)\[
k = A T^b \exp\left(-\frac{E}{RT}\right)
\]
2.14E+08 1.52 3449.0分别对应方程(1)的\(A\)，\(b\)，\(E\)参数。
一些反应类型比较特殊，比如下面这几行：
H+O2(+M)=HO2(+M) 4.52E+13 0.0 0.0 !MARINOV 1995A
LOW / 1.05E+19 -1.257 0.0 / !MARINOV 1995A
H2O/0.0/ H2/0.0/ N2/0.0/
特殊之处在于：
其中第一行的反应附有(+M)符号，表示反应产生的条件需要M组分；但M组分不会在反应生产生或者消耗；
其中第二行的LOW表示低压情况，在未注明LOW的情况下，则表示高压情况；
其中第三行表示反应的三体反应系数；
最后需要注意的是。提供给OpenFOAM的相关文件，如thermo.dat文件，其中的参数修改的时候，请找一个模板直接修改。因为在转化格式的时候，代码不接受格式上的调整，调整可能会带来莫名其妙的错误。