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计算流体力学在化学工程中的应用情况点击：2329 日期：[ 2014-04-26 21:35:41 ] |
| 计算流体力学在化学工程中的应用情况 黄永春1,唐 军2,谢清若1,马月飞1 (1.广西工学院生物与化学工程系,广西柳州545006;2.广西大学化学化工学院,广西南宁530004) 摘要:计算流体力学(CFD)用于求解固定几何形状设备内的流体的动量、热量和质量方程以及相关的其他方程,已成为研究化工领域中流体流动和传质的重要工具。本文概述了CFD的基本原理以及CFD在化学工程领域方面的应用,重点介绍了CFD在搅拌槽、换热器、蒸馏塔、薄膜蒸发器、燃烧等方面的应用。 关键词:计算流体力学;数值模拟;流体流动;化学工程 中图分类号:TQ021·1 文献标识码:A 文章编号:0253-4320(2007)05-0065-04 计算流体力学(CFD)是流体力学的一个分支,用于求解固定几何形状空间内的流体的动量、热量和质量方程以及相关的其他方程,并通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关数据。CFD最早运用于汽车制造业、航天事业及核工业,解决空气动力学中的流体力学问题。CFD计算相对于实验研究,具有成本低、速度快、资料完备、可以模拟真实及理想条件等优点,从而使CFD成为研究各种流体现象,设计、操作和研究各种流动系统和流动过程的有利工具。20世纪60年代末,CFD技术已经在流体力学各相关行业得到了广泛的应用,化学工程的模拟计算始于20世纪90年代后期,如今CFD已经成为研究化工领域中流体流动和传质的重要工具。CFD可以用于各种化工装置的模拟、分析及预测,如模拟搅拌槽混合设备的设计、放大;可以预测流体流动过程中的传质、传热,如模拟加热器中的传热效果,蒸馏塔中的两相传质流动状态;可以描述化学反应及反应速率,进行反应器模拟,如模拟出燃烧反应器、生化反应器中的反应速率;还可有效模拟分离、过滤及干燥等设备及装置内流体的流动。 1·CFD基本原理及常用工具 CFD是以动量、能量、质量守恒方程为基础,用数值计算方法直接求解流动主控方程(Navier-Stokes方程)以发现各种流动现象规律。CFD计算方法主要有3种:差分法、有限元法、有限体积法。CFD是多领域交叉的学科,涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何学、数值分析等学科。CFD模拟的目的是作出预测和获得信息,以达到对流体流动的更好控制。理论的预测出自数学模型的结果,而不是出自一个实际的物理模型的结果。数学模型主要是由一组微分方程组成,这些方程的解就是CFD模拟的结果。 CFD软件是用来进行流场分析、计算、预测的专用工具,对大多数人来说,不必要掌握流体力学微分方程的求解以及对计算流体力学的深入研究,但在工作中又需要对某些具体的流动过程进行分析、计算和研究,由此计算准确、界面友好、使用简单,又能解决问题的大型商业CFD软件应运而生。CFD软件一般包括3个主要部分:前处理器、解算器、后处理器。常见的CFD软件有:FLUENT、PHOENICS、CFX、STAR-CD、FIDAP等。其中FLUENT由美国FLUENT公司于1983年推出的,于1998年进入中国市场,据报道在同类软件中,其世界市场占有率为40%,是目前功能最全面、适用性最广、应用最广的软件之一。计算采用有限体积方法,包含有结构化及非结构化网格2个版本。速度与压力耦和采用同位网格上的SIMPLEC算法。对流项差分格式纳入了一阶迎风、中心差分及QUICK等格式。它的湍流模型包括k-ε模型、Reynolds应力模型、LES模型、相变模型、离散相模型、多相模型、标准壁面函数等。 2·CFD在化学工程中的应用 2·1 在搅拌槽中的应用 搅拌槽由于其内部流动的复杂性,搅拌混合目前尚未形成完善的理论体系,对搅拌槽等混合设备的放大设计,经验成分往往多于理论计算。在工业实际中,特别是快速反应体系或高黏度非牛顿物系,工业规模的反应器存在不同程度的非均匀性,随着规模的增大,这种不均匀性更加严重,经验放大设计方法的可靠性受到前所未有的挑战,因此对搅拌槽内部流场有必要进行更深入的研究。自从Harvey等[1]用计算机对搅拌槽内的流场进行二维模拟以来,近年来利用CFD的方法研究搅拌槽内的流场发展很快,利用这种方法不仅可以节省大量的研究经费,而且还可以获得通过实验手段所不能得到的数据。Sun等[2]利用CFD的k-ε-Ap湍流模型对搅拌槽中的气液两相流动进行了三维模拟,通过与实验结果比较发现,CFD数值模拟能很好地预测搅拌器上部的气体分布,但是对搅拌器底部的区域的模拟效果不好。Javed等[3]利用CFD软件Fluent对有6片挡板Rushton型涡轮的搅拌槽湍流混合进行了三维的时间相关的数值预测并与实验数据进行了比较,结果表明搅拌叶轮上下区域的平均速域的计算值和实验数据一致,但是湍动能的计算值和实验结果还有一定的差别。Wang等[4]以欧拉-欧拉方法为基础,采用k-ε湍流模型对搅拌槽中液-液-固三相体系各相的流场分布进行了CFD数值模拟,结果表明固体颗粒对液液两相分布有很大的影响,液相分布与实验结果吻合较好,固相分布结果与实验数据还存在一些差异,但是随在叶轮转速的增加也趋向一致。 网格的选择和离散方法对CFD模拟搅拌槽流场分布的精确度有重要影响。Deglon等[5]以旋转叶轮多参考系模型和标准k-ε湍流模型为基础,通过CFD模拟搅拌槽的流场研究了网格的选择和离散方法对模拟搅拌槽湍流流场分布精确度的影响,得到这样的结论:选择合适的网格和离散方法对流场和平均速度的模拟精度影响不大,而对各种力和湍动能模拟精度影响很大,需要选择好的网格和高阶矩离散方法。Bujalski等[6]用多重参照系法模拟了带有2个涡轮桨的搅拌式反应器中示踪子的分布情况,再以此计算了混合时间,该方法能准确模拟速度域,并且在示踪子悬浮情况的模拟上比滑动网格法得到的结果更接近实验数据。 CFD和数字粒子图像测速仪(DPIV)相结合,可以更深入地研究搅拌装置。DPIV测量数据可以验证CFD计算结果,并且使用DPIV测定特定点的速度也可作为CFD计算的边界条件。此外多普勒激光测速仪(LDV)与CFD结合,也被用于研究搅拌。虽然CFD已成为搅拌混合过程研究中不可缺少的工具,但有些方面仍存在缺陷,如搅拌桨附近流动情况特别是湍动能和湍动能耗散率的模拟还不尽人意[2-3],这主要是由湍流模型本身的缺陷引起的,可以通过修正湍流模型和进一步改进模型来弥补这方面的缺陷。 2·2 在换热器中的应用 换热设备在化学工程中被广泛使用,详细、准确地预测壳程的流动、传热特性对设计经济和可靠的换热器以及评价现有管壳式换热器的性能对工业应用十分重要。针对管壳式换热器几何结构复杂,流动和传热的影响因素很多等特点,运用CFD对管壳式换热器的壳侧流场进行计算机模拟,可以对其他方法难以掌握的壳侧瞬态的温度场和速度场有所了解,利于换热器的机理分析和结构优化。国外学者对换热器内流体流动的CFD模拟进行了一些研究。熊智强等[7]利用CFD技术对管壳式换热器弓形折流板附近流场进行了数值模拟,发现在弓形折流板背面,有部分区域的流速较低,一定程度上存在着流动死区,采用在弓形折流板上开孔的方法后,CFD计算结果显示其传热效率提高了5·4%,壳侧压降减小了7·3%。邓斌等[8]应用体积多孔度、表面渗透度和分布阻力方法建立了适用于准连续介质的N-S修正控制方程。用改进的k-ε模型考虑管束对湍流的产生和耗散的影响,用壁面函数法处理壳壁和折流板的壁面效应,对一管壳式换热器的壳侧湍流流动与换热进行了三维计算流体力学数值模拟,证明了该方法能更有效地模拟管壳式换热器壳侧的流动特性,压降实验数据和计算结果符合较好。夏永放等[9]应用CFD和数值传热学方法,对间接蒸发冷却器内流体流动与热质交换过程三维数值模拟,采用交错网格离散化非线性控制方程组,编制了三维SIMPLE算法程序,计算出间接蒸发冷却器内的速度场、温度场及浓度场,分析内部流动状态和热力分布,计算所得压力梯度与实验测得的数据吻合得较好。 管壳式换热器中流体流动一般为湍流,且实际应用的管壳式换热器中管的数量大,从而给计算增加了难度。目前关于管壳式换热器壳程流动大多数是采用二维或三维单相研究方法[9],而三维两相或多相的CFD模拟方面的工作还比较少。 2·3 在精馏塔中的应用 CFD已成为研究精馏塔内气液两相流动和传质的重要工具,通过CFD模拟可获得塔内气液两相微观的流动状况。在板式塔板上的气液传质方面,Vi-tankar等[10]应用低雷诺数的k-ε模型对鼓泡塔反应器的持液量和速度分布进行了模拟,在塔气相负荷、塔径、塔高和气液系统的参数大范围变化的情况下,模拟结果和现实的数据能够较好的吻合。Vivek等[11]以欧拉-欧拉方法为基础,充分考虑了塔壁对塔内流体的影响,用CFD商用软件FLUENT模拟计算了矩形鼓泡塔内气液相的分散性能,以及气泡数量、大小和气相速度之间的关系,取得了很好的效果。Volker等[12]应用k-ε湍流模型,其中在动量方程中加入了表示气液相互作用的原相,用CFD商用软件CFX模拟了鼓泡塔内的气液两相的流动状况,结果显示液体在塔内的返混行为和气相速度有很大关系。Krishna等[13]以k-ε湍流模型为基础,应用CFX对不同操作状态下的鼓泡塔内的传质情况进行了研究,发现气泡在液相中分布情况(大小和数量)对气液两相的传质有很大的影响。在填料塔方面,Petre等[14]建立了一种用塔内典型微型单元(REU)的流体力学性质来预测整塔的流体力学性质的方法,对每一个单元用FLUENT进行了模拟计算,发现塔内的主要能量损失来自于填料内的流体喷溅和流体与塔壁之间的碰撞,且用此方法预测了整塔的压降。Larachi等[15]发现流体在REU的能量损失(包括流体在填料层与层之间碰撞、与填料壁的碰撞引起的能量损失等)以及流体返混现象是影响填料效率的主要因素,而它们都和填料的几何性质相关,因此用CFD模拟计算了单相流在几种形状不同的填料中流动产生的压降,为改进填料提供了理论依据。CFD模拟精馏塔内流体流动也存在一些不足,如CFD模拟规整填料塔内流体流动的结果与实验值还有一定的偏差。这是由于对于许多问题所应用的数学模型还不够精确,还需要加强流体力学的理论分析和实验研究。 2·4 在薄膜蒸发器中的应用 CFD的应用实现了预测薄膜蒸发器内真实过程各种场分布,从而使薄膜蒸发器内液膜流动及传热、传质机理得到了进一步研究。Komori等[16]采用有限差分法对薄膜蒸发器内高黏度流体流动进行了数值模拟,得到了高黏度流体的各种速度分布,计算结果发现:薄膜蒸发器内涡旋流动的液体占总流量的70%以上,直列多板刮板和倾斜多板刮板可强烈促进液膜与涡旋的物质交换,提高蒸发效率,但并未进一步分析料液特性及工艺参数对流场的影响。汪蕊等[17]利用大型CFD分析软件CFX4·4,对薄膜蒸发器内黏性料液流体流动进行了数值模拟,计算结果与Komori等的模拟结果基本一致,证明了CFD软件分析薄膜蒸发器内复杂流场的可行性,但厚度的确定未有效地反映料液黏度等参数的影响。贺小华等[18]在前面研究的基础上,根据料液实测停留时间,对不同黏度料液采用了不同的膜厚计算方法,用CFX4·4进一步研究薄膜蒸发器内黏性料液的流动特性及各种场分布,探讨刮板转速、进料量等参数及料液黏度对流场的影响。但是薄膜蒸发器内的蒸发过程非常复杂,目前国内外基于CFD技术的薄膜蒸发器流体流动特性研究还比较少见。 2·5 在燃烧反应器中的应用 CFD也在各种燃烧系统中得到了广泛应用。CFD可以模拟出燃烧过程中的各种状态参数,加深对燃烧器燃烧过程的理解,从而实现优化燃烧反应器,甚至可以控制污染物排放量。在煤粉锅炉燃烧方面,Belosevic等[19]以欧拉-拉格朗日方法为基础,选择k-ε模型对210MW切向燃烧煤粉炉炉内过程进行了三维CFD数值模拟,成功地预测了炉内燃烧过程的主要操作参数,预测到的火焰温度和燃烧程度能与实验数据较好地吻合,从而推动了CFD在燃烧中的应用。在多孔介质内燃烧方面,Sathe等[20]采用一维层流预混燃烧模型,用一步化学反应机理数值模拟了多孔介质辐射燃烧器内的火焰位置和燃气当量比、燃气流速之间的关系,研究了不同的多孔介质材料对燃烧效率和辐射通量的影响。在发展低污染燃烧技术燃烧器方面,冯良等[21]利用CFD软件对浓淡式燃气燃烧器进行了燃烧模拟研究,形成温度场、各组分浓度场等状态参数,提出了设计NOx燃气燃烧器的方法,达到了降低氮氧化物排放的目的。CFD数值模拟还可以与化学反应机理相结合使用,以便更好地模拟燃烧反应。李国能等[22]采用CFD与CHEMKIN相结合的方法,使用标准k-ε湍流模型和一个17组分、57步复杂化学反应机理,模拟了H2S在直径为3 mm的Al2O3圆球堆积成的多孔介质内的燃烧,模拟结果与实验数据基本吻合。燃烧过程中既有湍流混合,同时也进行燃烧反应,这给CFD模拟燃烧反应增加了困难。CFD软件FLU-ENT中针对各类的燃烧反应分别提供了不同的燃烧模型,以便精确地模拟燃烧反应过程。 2·6 在生化反应器中的应用 CFD也是生化反应器模拟研究的重要手段。生物反应器主要包括搅拌式生化反应器和气升式环流反应器,CFD的应用可以获取反应器中的速度场、温度场、浓度场等详细的信息,对生化反应器的设计、放大、优化和混合传质的基础研究有重要意义。Lapin等[23]利用欧拉方法在生物反应器中对大量大肠杆菌的搅拌混合湍动进行了CFD数值模拟。通过大肠杆菌对谷氨酸的利用(即谷氨酸的浓度),可以知道搅拌生物反应器里的混合情况,CFD数值模拟结果表明生物反应器顶部的谷氨酸的浓度达到最高,底部的谷氨酸的浓度几乎为零,说明生物反应器搅拌混合不够好,这与实验数据相一致。沈荣春等[24]使用欧拉-欧拉方法对导流筒结构对气升式环流反应器内气液两相流动进行了数值模拟。模拟结果表明,导流筒上部增加喇叭口可有效提高反应器的气液分离能力,喇叭口直径增大,气液分离效果增强;导流筒直径增大,液相混合效果增强;随导流筒在反应器内的位置升高,液相表观速度和液相循环量呈增加的趋势并趋于稳定,而气含率则变化不大。目前,应用CFD技术对搅拌反应器中单相流的模拟基本成熟,多相流的模拟也已经有很多方面的研究,但是模拟的结果还与实际结果有一定的偏差。 2·7 在其他方面的应用 CFD还在其他一些化工领域中得到应用。吴中华等[25]应用气-粒两相流理论,结合喷雾干燥的特点,建立了模拟喷雾干燥室内气体-颗粒两相湍流流动的CFD模型,并结合实际脉动燃烧喷雾干燥过程进行数值模拟,得到了喷雾干燥室内气流的温度、湿度分布图、气体流线图和颗粒相的运动轨迹图。 3·结语与展望 CFD是近代流体动力学、工程学和物理学、数值数学和计算机科学相结合的产物,可以看作是在质量守衡方程、动量守衡方程、能量守衡方程控制下对流体的数值模拟。以计算机为工具,将各学科的知识综合起来,建立流体流动模型对流体力学的各类问题进行数值试验、计算机模拟和分析研究,以解决实际问题。所有涉及流体流动、热交换、分子输运、燃烧等现象的问题,几乎都可以通过CFD的方法进行分析和模拟。由于化工过程中经常会出现流体,所以CFD在化学工程领域得到了广泛的应用。 但是CFD还不是一种很成熟的技术,在处理复杂的物理现象、湍流和反应等现象,难以找到合适的模型,对计算机配置要求也高,对于许多问题所应用的数学模型也还不够精确。即使是所谓的通用CFD软件,也不是适合于所有流体力学问题,需要使用者根据研究的对象做认真的选择。即使如此,CFD已经成为化工过程研究中不可缺少的工具,随着现代计算机硬件和软件技术的发展,CFD将会在化工领域得到更广泛的应用。 参考文献：略 |
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