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我们知道，汽车在运动过程中会产生大量的尾气，里面含有很多的有毒有害物质，比较显著的就是氮氧化物，氮氧化物在空气中含量过高，会导致酸雨，光化学烟雾等一些列环境问题，所以处理氮氧化物以减少其排放量显得尤为重要，现在采用的方法是在汽车的排气管中安装一个反应器，其内部装有催化剂，这样可以显著减少氮氧化物的排放量，达到减少污染的目的。在这个过程中，还原剂氨气与一氧化氮的含量存在一个最佳配比，并且随着反应时间的延长催化剂可能会发生变化而失去活性，并且失活部分的空间位置是未知的，还有一氧化氮在排出时的含量值为多少也是未知的，针对以上这些问题，我们可以通过COMSOL软件来进行仿真模拟。

通过COMSOL软件进行模拟时，首先分析此问题，对于一氧化氮的还原反应，这是一个化学问题，我们首先要在软件中建立一个化学反应模型，为以后的分析多场耦合过程奠定基础，之后选择模型，下图中左上图即反应器图，反应器是有很多个均匀分布的通道组成，反应气体从左侧入口进入，经过填充好催化剂的床层被还原后从右侧出口流出，反应器的截面为一个圆面，由于其对称性，可以将此模型简化为途中标红的八分之一个圆，也就是右下图，所以此模型是一个三维结构。整个过程中，我们要分析的是与时间无关的量，所以在求解时选择稳态问题。这个过程中，化学反应模型与三维模型的耦合是通过在反应模型下引入一个空间变化的模型。



一氧化氮通过反应器被氨气还原的过程中，涉及到很多变化，首先，会伴随着物质的运移，从而使反应物减少，生成产物，同时，此过程也会伴随着能量的变化，也就是说会有流体传热现象，同时流体的流动（此处为达西流）也会传热并且在流动过程中发生物质运移，同时支撑壁面的固体结构也会由于温度升高而发生变形。具体在软件中以上四个物理场的耦合是通过以下形式实现的：

（1）下图是物质运移过程与流动场的耦合，对流和扩散过程中的流速选择为流动中的达西流的流速，从而将两者关联起来；



（2）下图表示流体传热过程与流动场的耦合过程，通过设定传热过程中流速为达西流的流速从而将两者关联起来；



（3）下图是流动场与传热相耦合的过程，通过设定达西流中的温度为流体传热过程中的温度值来表现；



（4）下图表示固体结构中的材料受热膨胀过程中的温度选择热传导中的温度；从而将固体结构与流体传热联系起来。



通过软件的模拟，我们可以得到以下结果：

1        下图是一氧化氮的转化率等值面分布图，由图可知，从入口到出口它的转化率逐渐增大，在出口处的转化率可以达到97.2%。



2        下图是温度分布情况，可见，由入口处向内温度逐渐升高，到达一个最高值大约541.9K左右后逐渐下降，在出口处温度最低，且在反应器的同一截面上，其中心部分温度最高。



3        下图是应力分布情况，可见，在反应器的中心部分，应力较小，负值表示可压缩的应力，在边沿部分应力较大，正值表示为可拉伸的应力。