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深入湍流中的化學反應：怎樣的機制讓我們在火焰中找到效率？
在現代化學工程中，化學反應模型的建構將物理知識轉化為數學表達式，以便在計算機模擬中應用於各種實際問題。計算機模擬提供了靈活性，讓我們能夠研究在各種條件下的化學過程。
化學反應的建模過程涉及解決描述每個組成物質的對流、擴散和反應源的守恒方程。這樣的模型不僅能幫助我們理解反應的基本機理，還能在工業生產和環境保護等方面提出有效的解決方案。尤其是在湍流的情況下，模擬化學反應的過程更加複雜，因為我們需要考慮到湍流的影響以及不同反應速度之間的相互作用。
在擬合化學反應模型時，首先要考慮到不同物質的運輸方程，每個物種的傳輸都可以用以下方程來表示：
∂(ρYi)/∂t + ∇⋅(ρv→Yi) = −∇⋅Ji + Ri其中，Ri是化學反應中物質i的淨產生速率，Ji則代表物種i因濃度梯度引起的擴散通量。
反應模型的種類
化學反應速率(R)，可以通過多種模型來計算，包括層流有限速率模型、渦散逸模型及渦散逸概念。
層流有限速率模型
層流有限速率模型使用Arrhenius公式來計算化學源項，並忽略了湍流波動對反應速率的影響。這樣的模型在層流火焰中可以提供精確的解決方案，但在湍流火焰中卻可能出現不準確的情況。
這個模型雖然能對小型湍流波動進行準確計算，例如在超音速火焰中，但對於較大的湍流環境，其非線性Arrhenius化學動力學使得預測變得複雜。
渦散逸模型
經典的渦散逸模型（或稱為Magnussen模型）是專注於湍流化學反應的模型。大多數燃料燃燒非常快，其整體反應速率受到湍流混合的控制。在非預混火焰中，湍流緩慢地將燃料和氧化劑混合到反應區域，導致快速燃燒。
在預混火焰中，湍流同樣會將冷反應物和熱產物緩慢地混合進入反應區域，這意味著反應發生得十分迅速。在這種情況下，燃燒過程被稱為混合限制，且複雜的化學動力學可被忽略不計。
渦散逸模型認為，只要存在湍流，燃燒就可隨之開始，而不需要額外的點火源來觸發燃燒。
渦散逸概念
渦散逸概念（EDC）是對渦散逸模型的擴展，它考慮了細微結構在湍流化學反應中的重要性。此模型試圖納入細小結構在反應流中的影響，使得在多種預混和擴散限制的燃燒問題上表現出高效性。
不需要改變常數，EDC對多種化學動力學快速過程的適用性也得到了證實，這使它在實際應用中變得特別有用。
隨著科技的不斷進步，化學反應模型的發展將持續推進，為化學工程的應用提供更多高效的解決方案。
是否有可能在未來創建一個能全面涵蓋所有化學反應的通用模型，從而提高燃燒效率和降低污染呢？
