本研究开发并实现了一个广义有限速率表面化学反应框架，该框架整合了全面的反应机制列表，并将其植入直接模拟蒙特卡洛（DSMC）求解器SPARTA中。该框架涵盖多种反应机制，包括吸附、脱附、Langmuir-Hinshelwood反应、Eley-Rideal反应、碰撞诱导反应、冷凝、升华等。其核心方法是通过随机建模来模拟活性位点集上发生的各类竞争性反应。该框架同时包含气固表面反应和纯表面反应机制，并能处理涉及体相物种参与的催化或表面改性机制。研究采用通用化建模方案，允许每个表面存在多相态和不同活性位点。基于表面特性与宏观参数（如速率常数、粘附系数等），本研究推导出直接模拟蒙特卡洛模拟所需的反应概率与频率微观参数表达式。针对多反应体系，该框架还提出了物理一致性计算方法以精确求解反应概率与频率。最终构建的建模工具可通过用户自定义的反应速率常数、表面特性及输入参数来表征各类表面反应。通过解析解测试案例，本研究对框架实现进行了有效性验证。
关键词：高超音速、DSMC、表面化学、化学动力学、反应机理
本文亮点：
- 开发并实现了一套名为SurfChem的详细表面化学框架，该框架已集成至直接模拟蒙特卡洛（DSMC）代码SPARTA中。
- 整合了多种表面反应机制，包括：吸附、脱附、Langmuir-Hinshelwood（LH）机制、Eley-Rideal（ER）机制、化学电离（CI）机制，以及凝华与升华机制。
- 通过将反应速率转化为概率（气-表面作用机制）与频率（纯表面作用机制）实现机制量化。
- 开发了无偏算法以处理多反应耦合体系。
- 通过高超声速流动与催化反应相关的测试案例完成了框架的验证与确认。
图1. 两种反应机制框架
图2. 本研究中考虑的各种反应机制示意图。
发表期刊：COMPUTERS & FLUIDS，Volume 292，
全文链接：
https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0045793024003566
