Моделирование процесса фильтрации углекислого газа

[DoctorD 0]

Здравствуйте.

Требуется решить следующую задачу. Имеется регенерационный патрон, в котором находится фильтрующее вещество (на основе химически связанного кислорода). Фильтрующее вещество имеет вид гранул сферической формы диаметром около 1 мм. Патрон представляет собой изолирующее средство защиты дыхания, т.е. принцип его действия основан на изолировании органов дыхания человека от внешней среды и обеспечении воздухом для дыхания из источника дыхательной смеси. Воздух для дыхания получается из углекислого газа, который выдыхает человек. При прохождении СО2 через фильтрующее вещество (кислородсодержащий продукт на основе надпероксидов щелочных металлов) происходит связывание углекислого газа и выделение необходимого для дыхания кислорода

4КО2 + 2Н2О = 4КОН + 3О2 + 78 кДж,

2КОН + СО2 = К2СО3 + Н2О + 141 кДж.

т.е. при работе патрона образуется кислород, предназначенный для дыхания. Как видно из уравнений реакций, они проходят с выделение теплоты. В процессе работы из-за выделяющейся теплоты возможно спекание гранул фильтрующего вещества, в результате чего срок службы патрона уменьшается.

Необходимо смоделировать работу регенерационного патрона, т.е. процесс поглощения углекислого газа и выделение кислорода, при этом учесть влияние выделяющегося тепла на поглощающую способность гранул. Также необходимо отслеживать химический состав полученного воздуха, для того, чтобы определить момент, когда начался проскок молекул СО2 через поглотитель, другими словами, когда поглощающее вещество уже неспособно превратить весь углекислый газ в кислород. Также необходимо отслеживать процесс нарастания концентрации СО2 в воздухе.

В связи с данной задачей возникает вопрос, какой программный продукт необходимо использовать для ее решения? (я склоняюсь к Ansys CFX, но не уверен). И есть ли какая-либо литература, как решать подобные задачи в конкретной программе?

Спасибо за помощь.

[Dick 0]

В двух словах, касательно CFX

Химию сделать просто - 2 реакции c кинетикой. Фильтр - тут можно попробовать сделать пористый домен состоящий из реагента. По поводу спекания - тут вряд ли что получится, можно конечно отделаться прописанием выражения, которое будет ухудшать пористость в зависимости от выделенного тепла. Так же в таком случае не будет "вымывания" реагента. Можно извратиться с лагранжевыми частицами вместо пористого домена, но там придется покопаться с более-или-менее адекватным отображением требуемой модели ("вымывание", спекание)

Далее, придется решать нестационар, причем я так понял время прогонки газа через фильтр будет большим относительно расчетного шага (из-за химии), поэтому расчетного времени понадобится очень много.

Ну и конечно же еще все зависит от квалификации расчетчика. Если он видит CFX впервые, то не завидую я парню :-)

[CFDgroup 0]

Лучше задать фильтр Эйлеровой средой с изменяющимся средним диаметром гранулы (спекание)