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計算流體力學在化學工程中的應(yīng)用情況 點擊：275 日期：[ 2014-04-26 21:35:41 ]

                     計算流體力學在化學工程中的應(yīng)用情況                        黃永春1,唐　軍2,謝清若1,馬月飛1     (1.廣西工學院生物與化學工程系,廣西柳州545006;2.廣西大學化學化工學院,廣西南寧530004)     摘要:計算流體力學(CFD)用于求解固定幾何形狀設(shè)備內(nèi)的流體的動量、熱量和質(zhì)量方程以及相關(guān)的其他方程,已成為研究化工領(lǐng)域中流體流動和傳質(zhì)的重要工具。本文概述了CFD的基本原理以及CFD在化學工程領(lǐng)域方面的應(yīng)用,重點介紹了CFD在攪拌槽、換熱器、蒸餾塔、薄膜蒸發(fā)器、燃燒等方面的應(yīng)用。     關(guān)鍵詞:計算流體力學;數(shù)值模擬;流體流動;化學工程     中圖分類號:TQ021·1　文獻標識碼:A　文章編號:0253-4320(2007)05-0065-04     計算流體力學(CFD)是流體力學的一個分支,用于求解固定幾何形狀空間內(nèi)的流體的動量、熱量和質(zhì)量方程以及相關(guān)的其他方程,并通過計算機模擬獲得某種流體在特定條件下的有關(guān)數(shù)據(jù)。CFD最早運用于汽車制造業(yè)、航天事業(yè)及核工業(yè),解決空氣動力學中的流體力學問題。CFD計算相對于實驗研究,具有成本低、速度快、資料完備、可以模擬真實及理想條件等優(yōu)點,從而使CFD成為研究各種流體現(xiàn)象,設(shè)計、操作和研究各種流動系統(tǒng)和流動過程的有利工具。20世紀60年代末,CFD技術(shù)已經(jīng)在流體力學各相關(guān)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用,化學工程的模擬計算始于20世紀90年代后期,如今CFD已經(jīng)成為研究化工領(lǐng)域中流體流動和傳質(zhì)的重要工具。CFD可以用于各種化工裝置的模擬、分析及預測,如模擬攪拌槽混合設(shè)備的設(shè)計、放大;可以預測流體流動過程中的傳質(zhì)、傳熱,如模擬加熱器中的傳熱效果,蒸餾塔中的兩相傳質(zhì)流動狀態(tài);可以描述化學反應(yīng)及反應(yīng)速率,進行反應(yīng)器模擬,如模擬出燃燒反應(yīng)器、生化反應(yīng)器中的反應(yīng)速率;還可有效模擬分離、過濾及干燥等設(shè)備及裝置內(nèi)流體的流動。     1·CFD基本原理及常用工具     CFD是以動量、能量、質(zhì)量守恒方程為基礎(chǔ),用數(shù)值計算方法直接求解流動主控方程(Navier-Stokes方程)以發(fā)現(xiàn)各種流動現(xiàn)象規(guī)律。CFD計算方法主要有3種:差分法、有限元法、有限體積法。CFD是多領(lǐng)域交叉的學科,涉及計算機科學、流體力學、偏微分方程的數(shù)學理論、計算幾何學、數(shù)值分析等學科。CFD模擬的目的是作出預測和獲得信息,以達到對流體流動的更好控制。理論的預測出自數(shù)學模型的結(jié)果,而不是出自一個實際的物理模型的結(jié)果。數(shù)學模型主要是由一組微分方程組成,這些方程的解就是CFD模擬的結(jié)果。     CFD軟件是用來進行流場分析、計算、預測的專用工具,對大多數(shù)人來說,不必要掌握流體力學微分方程的求解以及對計算流體力學的深入研究,但在工作中又需要對某些具體的流動過程進行分析、計算和研究,由此計算準確、界面友好、使用簡單,又能解決問題的大型商業(yè)CFD軟件應(yīng)運而生。CFD軟件一般包括3個主要部分:前處理器、解算器、后處理器。常見的CFD軟件有:FLUENT、PHOENICS、CFX、STAR-CD、FIDAP等。其中FLUENT由美國FLUENT公司于1983年推出的,于1998年進入中國市場,據(jù)報道在同類軟件中,其世界市場占有率為40%,是目前功能最全面、適用性最廣、應(yīng)用最廣的軟件之一。計算采用有限體積方法,包含有結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格2個版本。速度與壓力耦和采用同位網(wǎng)格上的SIMPLEC算法。對流項差分格式納入了一階迎風、中心差分及QUICK等格式。它的湍流模型包括k-ε模型、Reynolds應(yīng)力模型、LES模型、相變模型、離散相模型、多相模型、標準壁面函數(shù)等。     2·CFD在化學工程中的應(yīng)用     2·1　在攪拌槽中的應(yīng)用     攪拌槽由于其內(nèi)部流動的復雜性,攪拌混合目前尚未形成完善的理論體系,對攪拌槽等混合設(shè)備的放大設(shè)計,經(jīng)驗成分往往多于理論計算。在工業(yè)實際中,特別是快速反應(yīng)體系或高黏度非牛頓物系,工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器存在不同程度的非均勻性,隨著規(guī)模的增大,這種不均勻性更加嚴重,經(jīng)驗放大設(shè)計方法的可靠性受到前所未有的挑戰(zhàn),因此對攪拌槽內(nèi)部流場有必要進行更深入的研究。自從Harvey等[1]用計算機對攪拌槽內(nèi)的流場進行二維模擬以來,近年來利用CFD的方法研究攪拌槽內(nèi)的流場發(fā)展很快,利用這種方法不僅可以節(jié)省大量的研究經(jīng)費,而且還可以獲得通過實驗手段所不能得到的數(shù)據(jù)。Sun等[2]利用CFD的k-ε-Ap湍流模型對攪拌槽中的氣液兩相流動進行了三維模擬,通過與實驗結(jié)果比較發(fā)現(xiàn),CFD數(shù)值模擬能很好地預測攪拌器上部的氣體分布,但是對攪拌器底部的區(qū)域的模擬效果不好。Javed等[3]利用CFD軟件Fluent對有6片擋板Rushton型渦輪的攪拌槽湍流混合進行了三維的時間相關(guān)的數(shù)值預測并與實驗數(shù)據(jù)進行了比較,結(jié)果表明攪拌葉輪上下區(qū)域的平均速域的計算值和實驗數(shù)據(jù)一致,但是湍動能的計算值和實驗結(jié)果還有一定的差別。Wang等[4]以歐拉-歐拉方法為基礎(chǔ),采用k-ε湍流模型對攪拌槽中液-液-固三相體系各相的流場分布進行了CFD數(shù)值模擬,結(jié)果表明固體顆粒對液液兩相分布有很大的影響,液相分布與實驗結(jié)果吻合較好,固相分布結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)還存在一些差異,但是隨在葉輪轉(zhuǎn)速的增加也趨向一致。     網(wǎng)格的選擇和離散方法對CFD模擬攪拌槽流場分布的精確度有重要影響。Deglon等[5]以旋轉(zhuǎn)葉輪多參考系模型和標準k-ε湍流模型為基礎(chǔ),通過CFD模擬攪拌槽的流場研究了網(wǎng)格的選擇和離散方法對模擬攪拌槽湍流流場分布精確度的影響,得到這樣的結(jié)論:選擇合適的網(wǎng)格和離散方法對流場和平均速度的模擬精度影響不大,而對各種力和湍動能模擬精度影響很大,需要選擇好的網(wǎng)格和高階矩離散方法。Bujalski等[6]用多重參照系法模擬了帶有2個渦輪槳的攪拌式反應(yīng)器中示蹤子的分布情況,再以此計算了混合時間,該方法能準確模擬速度域,并且在示蹤子懸浮情況的模擬上比滑動網(wǎng)格法得到的結(jié)果更接近實驗數(shù)據(jù)。     CFD和數(shù)字粒子圖像測速儀(DPIV)相結(jié)合,可以更深入地研究攪拌裝置。DPIV測量數(shù)據(jù)可以驗證CFD計算結(jié)果,并且使用DPIV測定特定點的速度也可作為CFD計算的邊界條件。此外多普勒激光測速儀(LDV)與CFD結(jié)合,也被用于研究攪拌。雖然CFD已成為攪拌混合過程研究中不可缺少的工具,但有些方面仍存在缺陷,如攪拌槳附近流動情況特別是湍動能和湍動能耗散率的模擬還不盡人意[2-3],這主要是由湍流模型本身的缺陷引起的,可以通過修正湍流模型和進一步改進模型來彌補這方面的缺陷。      2·2　在換熱器中的應(yīng)用     換熱設(shè)備在化學工程中被廣泛使用,詳細、準確地預測殼程的流動、傳熱特性對設(shè)計經(jīng)濟和可靠的換熱器以及評價現(xiàn)有管殼式換熱器的性能對工業(yè)應(yīng)用十分重要。針對管殼式換熱器幾何結(jié)構(gòu)復雜,流動和傳熱的影響因素很多等特點,運用CFD對管殼式換熱器的殼側(cè)流場進行計算機模擬,可以對其他方法難以掌握的殼側(cè)瞬態(tài)的溫度場和速度場有所了解,利于換熱器的機理分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。國外學者對換熱器內(nèi)流體流動的CFD模擬進行了一些研究。熊智強等[7]利用CFD技術(shù)對管殼式換熱器弓形折流板附近流場進行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)在弓形折流板背面,有部分區(qū)域的流速較低,一定程度上存在著流動死區(qū),采用在弓形折流板上開孔的方法后,CFD計算結(jié)果顯示其傳熱效率提高了5·4%,殼側(cè)壓降減小了7·3%。鄧斌等[8]應(yīng)用體積多孔度、表面滲透度和分布阻力方法建立了適用于準連續(xù)介質(zhì)的N-S修正控制方程。用改進的k-ε模型考慮管束對湍流的產(chǎn)生和耗散的影響,用壁面函數(shù)法處理殼壁和折流板的壁面效應(yīng),對一管殼式換熱器的殼側(cè)湍流流動與換熱進行了三維計算流體力學數(shù)值模擬,證明了該方法能更有效地模擬管殼式換熱器殼側(cè)的流動特性,壓降實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果符合較好。夏永放等[9]應(yīng)用CFD和數(shù)值傳熱學方法,對間接蒸發(fā)冷卻器內(nèi)流體流動與熱質(zhì)交換過程三維數(shù)值模擬,采用交錯網(wǎng)格離散化非線性控制方程組,編制了三維SIMPLE算法程序,計算出間接蒸發(fā)冷卻器內(nèi)的速度場、溫度場及濃度場,分析內(nèi)部流動狀態(tài)和熱力分布,計算所得壓力梯度與實驗測得的數(shù)據(jù)吻合得較好。      管殼式換熱器中流體流動一般為湍流,且實際應(yīng)用的管殼式換熱器中管的數(shù)量大,從而給計算增加了難度。目前關(guān)于管殼式換熱器殼程流動大多數(shù)是采用二維或三維單相研究方法[9],而三維兩相或多相的CFD模擬方面的工作還比較少。     2·3　在精餾塔中的應(yīng)用     CFD已成為研究精餾塔內(nèi)氣液兩相流動和傳質(zhì)的重要工具,通過CFD模擬可獲得塔內(nèi)氣液兩相微觀的流動狀況。在板式塔板上的氣液傳質(zhì)方面,Vi-tankar等[10]應(yīng)用低雷諾數(shù)的k-ε模型對鼓泡塔反應(yīng)器的持液量和速度分布進行了模擬,在塔氣相負荷、塔徑、塔高和氣液系統(tǒng)的參數(shù)大范圍變化的情況下,模擬結(jié)果和現(xiàn)實的數(shù)據(jù)能夠較好的吻合。Vivek等[11]以歐拉-歐拉方法為基礎(chǔ),充分考慮了塔壁對塔內(nèi)流體的影響,用CFD商用軟件FLUENT模擬計算了矩形鼓泡塔內(nèi)氣液相的分散性能,以及氣泡數(shù)量、大小和氣相速度之間的關(guān)系,取得了很好的效果。Volker等[12]應(yīng)用k-ε湍流模型,其中在動量方程中加入了表示氣液相互作用的原相,用CFD商用軟件CFX模擬了鼓泡塔內(nèi)的氣液兩相的流動狀況,結(jié)果顯示液體在塔內(nèi)的返混行為和氣相速度有很大關(guān)系。Krishna等[13]以k-ε湍流模型為基礎(chǔ),應(yīng)用CFX對不同操作狀態(tài)下的鼓泡塔內(nèi)的傳質(zhì)情況進行了研究,發(fā)現(xiàn)氣泡在液相中分布情況(大小和數(shù)量)對氣液兩相的傳質(zhì)有很大的影響。在填料塔方面,Petre等[14]建立了一種用塔內(nèi)典型微型單元(REU)的流體力學性質(zhì)來預測整塔的流體力學性質(zhì)的方法,對每一個單元用FLUENT進行了模擬計算,發(fā)現(xiàn)塔內(nèi)的主要能量損失來自于填料內(nèi)的流體噴濺和流體與塔壁之間的碰撞,且用此方法預測了整塔的壓降。Larachi等[15]發(fā)現(xiàn)流體在REU的能量損失(包括流體在填料層與層之間碰撞、與填料壁的碰撞引起的能量損失等)以及流體返混現(xiàn)象是影響填料效率的主要因素,而它們都和填料的幾何性質(zhì)相關(guān),因此用CFD模擬計算了單相流在幾種形狀不同的填料中流動產(chǎn)生的壓降,為改進填料提供了理論依據(jù)。CFD模擬精餾塔內(nèi)流體流動也存在一些不足,如CFD模擬規(guī)整填料塔內(nèi)流體流動的結(jié)果與實驗值還有一定的偏差。這是由于對于許多問題所應(yīng)用的數(shù)學模型還不夠精確,還需要加強流體力學的理論分析和實驗研究。     2·4　在薄膜蒸發(fā)器中的應(yīng)用     CFD的應(yīng)用實現(xiàn)了預測薄膜蒸發(fā)器內(nèi)真實過程各種場分布,從而使薄膜蒸發(fā)器內(nèi)液膜流動及傳熱、傳質(zhì)機理得到了進一步研究。Komori等[16]采用有限差分法對薄膜蒸發(fā)器內(nèi)高黏度流體流動進行了數(shù)值模擬,得到了高黏度流體的各種速度分布,計算結(jié)果發(fā)現(xiàn):薄膜蒸發(fā)器內(nèi)渦旋流動的液體占總流量的70%以上,直列多板刮板和傾斜多板刮板可強烈促進液膜與渦旋的物質(zhì)交換,提高蒸發(fā)效率,但并未進一步分析料液特性及工藝參數(shù)對流場的影響。汪蕊等[17]利用大型CFD分析軟件CFX4·4,對薄膜蒸發(fā)器內(nèi)黏性料液流體流動進行了數(shù)值模擬,計算結(jié)果與Komori等的模擬結(jié)果基本一致,證明了CFD軟件分析薄膜蒸發(fā)器內(nèi)復雜流場的可行性,但厚度的確定未有效地反映料液黏度等參數(shù)的影響。賀小華等[18]在前面研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)料液實測停留時間,對不同黏度料液采用了不同的膜厚計算方法,用CFX4·4進一步研究薄膜蒸發(fā)器內(nèi)黏性料液的流動特性及各種場分布,探討刮板轉(zhuǎn)速、進料量等參數(shù)及料液黏度對流場的影響。但是薄膜蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)過程非常復雜,目前國內(nèi)外基于CFD技術(shù)的薄膜蒸發(fā)器流體流動特性研究還比較少見。     2·5　在燃燒反應(yīng)器中的應(yīng)用     CFD也在各種燃燒系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。CFD可以模擬出燃燒過程中的各種狀態(tài)參數(shù),加深對燃燒器燃燒過程的理解,從而實現(xiàn)優(yōu)化燃燒反應(yīng)器,甚至可以控制污染物排放量。在煤粉鍋爐燃燒方面,Belosevic等[19]以歐拉-拉格朗日方法為基礎(chǔ),選擇k-ε模型對210MW切向燃燒煤粉爐爐內(nèi)過程進行了三維CFD數(shù)值模擬,成功地預測了爐內(nèi)燃燒過程的主要操作參數(shù),預測到的火焰溫度和燃燒程度能與實驗數(shù)據(jù)較好地吻合,從而推動了CFD在燃燒中的應(yīng)用。在多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒方面,Sathe等[20]采用一維層流預混燃燒模型,用一步化學反應(yīng)機理數(shù)值模擬了多孔介質(zhì)輻射燃燒器內(nèi)的火焰位置和燃氣當量比、燃氣流速之間的關(guān)系,研究了不同的多孔介質(zhì)材料對燃燒效率和輻射通量的影響。在發(fā)展低污染燃燒技術(shù)燃燒器方面,馮良等[21]利用CFD軟件對濃淡式燃氣燃燒器進行了燃燒模擬研究,形成溫度場、各組分濃度場等狀態(tài)參數(shù),提出了設(shè)計NOx燃氣燃燒器的方法,達到了降低氮氧化物排放的目的。CFD數(shù)值模擬還可以與化學反應(yīng)機理相結(jié)合使用,以便更好地模擬燃燒反應(yīng)。李國能等[22]采用CFD與CHEMKIN相結(jié)合的方法,使用標準k-ε湍流模型和一個17組分、57步復雜化學反應(yīng)機理,模擬了H2S在直徑為3 mm的Al2O3圓球堆積成的多孔介質(zhì)內(nèi)的燃燒,模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)基本吻合。燃燒過程中既有湍流混合,同時也進行燃燒反應(yīng),這給CFD模擬燃燒反應(yīng)增加了困難。CFD軟件FLU-ENT中針對各類的燃燒反應(yīng)分別提供了不同的燃燒模型,以便精確地模擬燃燒反應(yīng)過程。     2·6　在生化反應(yīng)器中的應(yīng)用     CFD也是生化反應(yīng)器模擬研究的重要手段。生物反應(yīng)器主要包括攪拌式生化反應(yīng)器和氣升式環(huán)流反應(yīng)器,CFD的應(yīng)用可以獲取反應(yīng)器中的速度場、溫度場、濃度場等詳細的信息,對生化反應(yīng)器的設(shè)計、放大、優(yōu)化和混合傳質(zhì)的基礎(chǔ)研究有重要意義。Lapin等[23]利用歐拉方法在生物反應(yīng)器中對大量大腸桿菌的攪拌混合湍動進行了CFD數(shù)值模擬。通過大腸桿菌對谷氨酸的利用(即谷氨酸的濃度),可以知道攪拌生物反應(yīng)器里的混合情況,CFD數(shù)值模擬結(jié)果表明生物反應(yīng)器頂部的谷氨酸的濃度達到最高,底部的谷氨酸的濃度幾乎為零,說明生物反應(yīng)器攪拌混合不夠好,這與實驗數(shù)據(jù)相一致。沈榮春等[24]使用歐拉-歐拉方法對導流筒結(jié)構(gòu)對氣升式環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相流動進行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明,導流筒上部增加喇叭口可有效提高反應(yīng)器的氣液分離能力,喇叭口直徑增大,氣液分離效果增強;導流筒直徑增大,液相混合效果增強;隨導流筒在反應(yīng)器內(nèi)的位置升高,液相表觀速度和液相循環(huán)量呈增加的趨勢并趨于穩(wěn)定,而氣含率則變化不大。目前,應(yīng)用CFD技術(shù)對攪拌反應(yīng)器中單相流的模擬基本成熟,多相流的模擬也已經(jīng)有很多方面的研究,但是模擬的結(jié)果還與實際結(jié)果有一定的偏差。     2·7　在其他方面的應(yīng)用     CFD還在其他一些化工領(lǐng)域中得到應(yīng)用。吳中華等[25]應(yīng)用氣-粒兩相流理論,結(jié)合噴霧干燥的特點,建立了模擬噴霧干燥室內(nèi)氣體-顆粒兩相湍流流動的CFD模型,并結(jié)合實際脈動燃燒噴霧干燥過程進行數(shù)值模擬,得到了噴霧干燥室內(nèi)氣流的溫度、濕度分布圖、氣體流線圖和顆粒相的運動軌跡圖。     3·結(jié)語與展望     CFD是近代流體動力學、工程學和物理學、數(shù)值數(shù)學和計算機科學相結(jié)合的產(chǎn)物,可以看作是在質(zhì)量守衡方程、動量守衡方程、能量守衡方程控制下對流體的數(shù)值模擬。以計算機為工具,將各學科的知識綜合起來,建立流體流動模型對流體力學的各類問題進行數(shù)值試驗、計算機模擬和分析研究,以解決實際問題。所有涉及流體流動、熱交換、分子輸運、燃燒等現(xiàn)象的問題,幾乎都可以通過CFD的方法進行分析和模擬。由于化工過程中經(jīng)常會出現(xiàn)流體,所以CFD在化學工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。     但是CFD還不是一種很成熟的技術(shù),在處理復雜的物理現(xiàn)象、湍流和反應(yīng)等現(xiàn)象,難以找到合適的模型,對計算機配置要求也高,對于許多問題所應(yīng)用的數(shù)學模型也還不夠精確。即使是所謂的通用CFD軟件,也不是適合于所有流體力學問題,需要使用者根據(jù)研究的對象做認真的選擇。即使如此,CFD已經(jīng)成為化工過程研究中不可缺少的工具,隨著現(xiàn)代計算機硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展,CFD將會在化工領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。     參考文獻：略

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