2024年4月23日发(作者：裔宏恺)
流程・模拟
石化技术
,2000,7
(
3
)
:166
～
169
计算流体力学
(CFD)
在化学工程中的应用
尹晔东 王运东 费维扬
(
清华大学化工系
,
北京
100084
)
3
计算流体力学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它方程。是化学工程
师用于分析问题和解决问题强有力的和用途广泛的工具。综述了
CFD
在化学工程领域的应用进展及发展趋势。
关键词
:
计算流体力学 数值模拟 流体流动 过程工程
计算流体力学
(
CFD
)
是流体力学的一个分
支。它通过计算机模拟获得某种流体在特定条件
下的有关信息。
CFD
包含了数学、计算机科学、
工程学和物理学等多种技术
,
这些技术的综合就
是流体流动的模型。
CFD
最先用离散方程解决
空气动力学中的流体力学问题。用有限差分方程
形式的奈维
-
斯托克斯方程
,
模拟雷诺数为
10
的
绕过圆柱的流体流动。从此
CFD
就成为研究各
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。过去
CFD
只是研究和发展
部门的专家使用的工具
,
现在
CFD
技术已经广泛
地应用于工业生产和设计部门。
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。近些年来
,
作为研
究流体流动的新方法
,CFD
在化工领域得到了越
来越广泛地应用。
CFD
模拟的目的是帮助理解流体流动
,
建立
理论和模拟的数学模型
,
在工程上支持设计过程
和作出决断。总而言之
,CFD
模拟的目的是作出
预测和获得知识。理论的预测出自于数学模型的
结果
,
而不是出自于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
的基础是动
量、能量、质量守恒方程。
CFD
计算的方法主要
有三种
:
差分法、有限元法、有限体积法。计算流
体力学的发展是伴随着计算机技术的发展而前进
的
,
后者是构成前者的基础。只有计算机的速度、
作 者 简 介
尹晔东 清华大学化学工程系博士研究生
,
从事化工分离设备内
的计算流体力学研究工作。
3国家自然科学基金资助项目
(
29836130
)
内存和外围设备达到一定程度时才会有计算流体
力学发展新阶段的出现。计算流体力学是多领域
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、数值分析等学科。这
些学科的交叉融合
,
相互促进和支持
,
推动着这些
学科的深入发展
[1]
。数值模拟也有一定的局限
性。首先是要有准确的数学模型
,
这不是所有问
题都能做到的。不少问题
,
其机理尚未完全清楚
,
很难有准确的数学模型。其次是数值模拟中对数
学方程进行离散化处理时需要对计算中所遇到的
稳定性、收敛性等进行分析。这些分析方法大部
分对线性方程是有效的
,
对非线性方程则不是有
效的。最后
,
数值模拟还受到计算机本身条件的
限制
,
即计算机运行速度和容量的限制。
1
计算流体力学
(CFD)
在化工领域的应
用
1.1
流化床
流化床最初的研究主要集中在对流化床整体
运行的描述上
,
这些对流化床的设计和操作有重
要意义。尽管有大量的实验室和工业数据
,
但是
难以将其综合起来进行解释
,
因为实验室阶段
,
由
于测量技术的限制不能获得足够的数据。流化床
中的气
-
固流按照建模的长度和时间
,
可以分为
三种
:
过程设备、计算单元、单个粒子。计算单元
水平上的模型
,
气相和固相被看作可以相互渗透
的连续介质
,
在奈维
-
斯托克斯方程中用局部平
均变量代替点变量
,
用
CFD
解方程。这种连续逼
近方法能提供气
-
固流体的有用信息
,
近些年成
为流化过程建模的主要方法。这种方法的缺点是
难以提供相间动量、能量、质量传递关联
,
无法建
立反映单个粒子的离散流动特性模型。
Xu
和
© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
尹晔东等
.
计算流体力学
(
CFD
)
在化学工程中的应用
・
167
・
Yu
[2]
用离散粒子逼近法和
CFD
相结合的方法
(
DPM-CFD
)
研究了流化床中的气固流。
Yang
κ
-
ε
湍流模等人
[3]
使用二维两相湍流水力模型
(
型
)
模拟向下流动的循环流化床中气固流体结构。
该模型考虑了固体粒子对气相湍流结构的影响
,
计算采用基于
SIMPLE
算法的改进方法。对径
向气体和固体粒子速度进行了预测
,
其结果与
LDV
测量值吻合。
1.2
搅拌
Harvey
和
Greaves
[4]
采用将搅拌器作为黑箱
(
blackbox
)
处理的方法
,
即用实验方法测定搅拌
器邻近区域以时间平均速度场
,
并以此为计算的
边界条件
,
模拟涡轮搅拌器。
Bakker
等人
[5]
提出
应用
CFD
研究搅拌的方法
:
在计算搅拌釜流体之
前
,
要把搅拌釜分成一些小单元
,
这一过程称为网
格化。
CFD
模拟能否成功取决于能否产生合适
的网格。网格生成后
,
质量
,
能量和动量守恒方
程
,
以及表示湍流作用和发生化学反应而产生或
消耗的物质的变量
,
都可以通过数值计算解得。
计算的一个重要部分就是满足方程的边界条件
,
一般把壁面的流体速度定为
0
。
Ljungqvist
和
Rasmuson
[6]
用
CFD
软件
FLOW3D
计算了存在气
液界面和不存在气液界面
(
即封闭和敞口搅拌釜
)
两种情况下
,
搅拌釜的流场。
Bode
[7]
用
STAR
的
CFD
程序
,
及由纽约
ADAPCO
开发的可以生成
移动网格的子程序
,
来研究三种混合过程
:
管道中
的混合、静态混合器中的混合、装有涡轮叶片搅拌
装置的混合槽中的流体流动。
CFD
和
LDV
(
多普
勒激光测速仪
,laserDopplervelocimetry
)
相结合
,
可以更深入地研究搅拌装置
[8
～
13]
。
LDV
测量数
据可以验证
CFD
计算结果
,
并且使用
LDV
测定
特定点的速度也可作为
CFD
计算的边界条件。
此外
PIV
(
粒子成像测速技术
,particleimagingve
2
locimetry
)
与
CFD
结合
,
也被用于研究搅拌
[14]
。
1.3
转盘萃取塔
(RDC)
Rieger
[15]
用
CFD
探讨了
RDC
中的两相流
,
他提出的模型可以详尽描述萃取塔中液
-
液流动
的多维扩散
,
计算出两相的速度场和局部体积分
率
,
这些结果有助于深入了解萃取过程。万银
坤
[16]
使用
PHOENICS1.4
软件
,
计算了添加挡板
前后转盘萃取塔内部流场的变化
,
并经
LDV
测试
结果证明添加挡板对
RDC
传质效率的积极作用。
1.4
填料塔
Hadson
等人
[17]
用
CFD
研究精馏所用的规整
填料。通过计算发现
,
填料中存在一个传质和传
热效率较低的特定区域
,
通过改变填料的形状
,
以
加强流体的径向和轴向混合
,CFD
计算表明
,
传
热效率升高
,
根据这一结果设计出的新型填料
,
经
实验表明填料的效率较高。
Tierney
等人
[18]
也通
过
CFD
软件计算了填料塔中流体运动。
1.5
燃料喷嘴气体动力学
Crocker
等人
[19]
使用
CFD
研究喷嘴的流场
,
由于喷嘴旋流流场的复杂性
,
难以确定边界条件、
生成网格
,
以及选定合适的湍流模型。他们采用
ACE
软件分析了喷嘴出口流场
,
为设计和提高喷
嘴效率提供有力的帮助。
CFD
的计算值和实验
数据吻合。
1.6
化学反应工程
CFD
在化学反应工程领域也得到了广泛应
用
[20,21]
。
Meier
等人
[22]
使用
CFD
设计和优化新
型高温太阳能化学反应器。
CFD
模拟提供了计
算速度、温度和压力场
,
以及粒子运动轨迹
,
而这
些数据在高辐射
(
>3000kW/m
2
)
和高温
(
>
1500K
)
条件下无法测量得到。
CFD
模拟结果由
冷模实验结果验证。
Holgren
和
Anderson
[23]
用商
用
CFD
软件
FIDAP,
采用有限元法
,
模拟了用整
块催化剂进行的催化燃烧、部分氧化和液相加氢
等化学反应。并与实验结果进行了比较。低密度
聚乙烯
(
LDPE
)
是一种用途广泛的聚合物
,
它需
要在高温高压条件下
,
经自由基聚合生成。该过
程需采用绝热高压釜反应器。
Read
等人
[24]
为了
获得对高压釜反应器内部混合和反应的深入认识
,
使用
FLUENT
商用软件计算了反应器的三维
模型
,
包括反应器、旋转浆叶、聚合动力学、湍流模
型
,
以及湍流反应速率模型。通过计算得到反应
器中不同操作情况下的流线、浓度梯度和温度梯
度。根据这些数据可以更好地认识
LDPE
聚合过
程
,
从而优化操作参数。
1.7
干燥
从本世纪
50
年代开始
,
人们就多次尝试用数
学方程描述喷雾干燥。在喷雾干燥中有很多复杂
现象难以用数学方程的形式表达。这些现象包括
喷雾的多分散性
,
雾沫夹带
,
分散相内部传热和传
质问题。
70
年代
Parti
和
Palancz
阐述了分散相
和连续相之间的动量、热量和质量传递的规律
,
Gauvin
和
Katta
提出了一种考虑了雾沫夹带和雾
化非均一性的模型
,
他们还给出了一个考虑了空
气的轴向和切向速度分布模型的解。所有的雾沫
© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
・
168
・
石化技术
2000
年第
7
卷第
3
期
夹带和干燥剂动力学之间的关系都是由实验得出
的。此后
,
研究者们又提出了大量的模型
,
其中一
些成功地应用于实际过程。
Crowe
等人提出了称
为单元内粒子源模型
(
PSI-cellmodel
)
。对
PSI
-cell
类型的模型改进和
CFD
软件使用的基础
上
,
人们成功地预测并分析了喷雾干燥中流场地
低频率振荡等现象
[25]
。
值运算能力
,
可以解算用解析方法不能求解的方
程
,
解决了某些理论流体力学无法解决的问题。
另外
,CFD
的应用
,
减少了实验测试次数
,
节省了
大量资金和时间
,
并能解决某些由于实验技术所
限
,
难以进行测量的问题。特别是大量的
CFD
软
件的出现
,
大大减少了
CFD
研究的工作量
,
降低
了对计算机知识的要求
,
使更多的研究者可以使
用
CFD
这一工具研究流体问题
,
从而扩大了
CFD
的应用范围
,
推动了流体力学更深入发展。
CFD
还不是一种很成熟的技术
,
通常需要处
理复杂的物理现象
,
多种尺度
,
还有湍流和反应现
象
,
难以找到合适的模型
,
对计算机的要求也较
高。
CFD
软件
,
即使是所谓的通用软件
,
也不是
适合于所有流体力学问题
,
需要使用者根据研究
的对象认真地选择合适的
CFD
软件及物理模型
,
使用它
,
并找出有价值的信息
[6]
。尽管有缺点
,
作为一种新学科
,CFD
将会随着技术的进步和发
展而日趋成熟
,
并且将在化工领域获得更广泛的
应用。
[
收稿日期
:2000-05-05]
参 考 文 献
1
朱自强等
.
应用计算流体力学
.
北京
:
北京航空航天大学出版
2
CFD
软件
为了能使工程师节省大量的编程时间
,
有关
人员编制了
CFD
软件
(
CFDcode
)
,
使
CFD
计算
变得方便、简单。
CFD
软件一般包括三个主要部
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。除了通用的
CFD
软件
,
还有一些专
门
CFD
软件。例如
FLUENT
公司开发的专门对
搅拌槽进行模拟的软件
-MixSim
。
以
FLUENT
公司开发的
FLUENT5.0
为
例
,
它可计算从不可压缩
(
低亚音速
)
到轻度可压
缩
(
跨音速
)
直至高度可压缩
(
超音速
)
流体的复杂
流动问题。
FLUENT5.0B
本身所带的物理模型
可以准确地预测层流、过渡流和湍流
,
多种方式的
传热和传质
,
化学反应
,
多相流和其它复杂现象。
它可以灵活地产生非结构网格
,
以适应复杂结构
,
并且能根据初步计算结果调整网格。前处理软件
Gambit,
提供了多方位的几何输入接口。计算采
社
,1998.
2
XuBH,gSci,1997,52
(
16
)
:2785
～
2805.
3
YANGYL,gComm,1998,170:133
～
157.
4
HarveyPS,nstChemEng,1982,60:201
用有限体积方法。通过
CORTEX
图形后处理软
件
,
可以得到二维和三维图象
,
包括速度矢量图、
等值线图
(
流线图、等压线图
)
、等值面图
(
等温面
和等马赫面图
)
、流动轨迹图、并具有积分功能
,
可
以求得力和流量等。
由于
CFD
软件的出现及不断改进
,
使原先繁
杂的工作变得简单
,
从而可以使工作集中与对复
杂流体问题本身进行深入细致的研究。
～
210.
5
BakkerA,FansanoJB,g,1994,Jan:94
～
100.
6
LjungqvistM,gCommun,1998,165:
123
～
150.
7
ersChemEng,1994,18:S247
～
S251.
8
Sch?ferM,H?fkenM,gResDes.1997,
75
(
A8
)
:729
～
739.
9
ArmenantePM,gSci,1997,52
(
20
)
:3483
～
3492.
10
NaudeI,emEng,1998,76
(
6
)
:631
～
640.
11
JaworskiZ,emEng,1996,74
(
1
)
:3
～
15.
12
ArmentePE,ympSer1994,90:33
～
43.
13
ArmentePE,,1996,42:42
～
54.
14
LambertoDJ,AlvarezMM,gSci,
1999,54
(
7
)
:919
～
942.
15
ersChemEng,1994,18:S229
～
S233.
16
万银坤
.
清华大学博士论文
.1998.
17
HodsonJ,gSympSer,1997,142:999
～
1007.
18
TierneyM,NasrA,ifTechnol,1998,13
3
总结
计算流体力学
(
CFD
)
包含了数学、计算机科
学、工程学和物理学等多种学科
,
这些学科的知识
综合起来
,
可以提供建立流体流动模型的方式和
方法。由于化工过程中经常会出现流体
,
所以流
体研究
(
流体力学
)
一直是化学工程中的重要内
容。在
CFD
出现以前
,
流体研究主要有理论流体
力学和实验流体力学两种手段。
CFD
出现后
,
不
仅丰富了流体研究的手段
,
而且由于其强大的数
© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
尹晔东等
.
计算流体力学
(
CFD
)
在化学工程中的应用
(
2
)
:97
～
107.
19
CrockerDS,FullerEJ,sTurbinesPow
2
er,1997,119
(
3
)
:527
～
534.
20
HarrisCK,gSci,1996,51
(
10
)
:1569
～
1594.
21
KuipersJAM,esChemEng,
1998,24:227
～
328.
・
169
・
22
MeierA,gSci,1996,51
(
11
)
:3181
～
3186.
23
HolgernA,gSci,1998,53
(
13
)
:285
～
2298.
24
ReadNK.,,1997,43
(
1
)
:104
～
117.
25
gJ,1995,58:123
～
133.
COMPUTATIONALFLUIDDYNAMICSFORCHEMICALENGINEERING
YinYedong,WangYundongandFeiWeiyang
(
DepartmentofChemicalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing,100084,
)
ABSTRACT
ComputationalFluidDynamics
(
CFD
)
involves
thenumericalsolutionofconservationequationsfor
momentum,energyandmassinaflowgeometryof
interest,togetherwithadditionalsetsofequations
erypower
2
fulandversatiletoolfortheanalysisandsolutionof
problemsthatofconsiderableinteresttothechemi
2
paperthecurrentcapabilities
ofCFDforchemicalengineeringdisciplinearere
2
progressinthepredictionsofflowandotherphysi
2
calparametersisoutlinedandthefuturetrendsof
CFDinchemicalengineeringaregiven.
Keywords:
ComputationalFluidDynamics,
numericalsimulation,fluidflow,processengineer
2
ing
两台
6
万吨乙烯裂解炉成功中交
2000
年
7
月
28
日
,
北京燕山石油化工有限
公司
66
万吨乙烯改扩建工程又一重点项目———
两台
6
万吨裂解炉经过
214
天艰苦奋战
,
提前
3
天实现中交
,
创造施工新记录
,
标志着
66
万吨乙
烯改扩建工程第一阶段战役进入尾声。
BA
—
107/108
两台
6
万吨裂解炉
,
是去年
9
月
15
日开始停炉拆除
,12
月
28
日开始钢结构安
装的
,
今年
5
月下旬开始设备安装工作
,6
月份开
始配管施工
,
共经过
7
个月的艰苦施工。国外先
进的施工记录是废热锅炉、汽包安装后需要
2
～
5
个月中交
,
而燕化安装公司完成全部配管任务仅
用了
45
天时间。此项目主要由燕化安装公司组
织施工
,
在有关单位的紧密配合下
,
克服了图纸不
全、材料拖期等困难
,
在非常狭窄的作业面上
,
先
后完成钢结构
320
吨、筑炉
11
万块
,
安装汽包、废
热锅炉和清焦罐等主要设备
20
台
,
配管
16000
米、仪表设备
517
台件、仪表电缆
43800
米、电气
设备
39
台件、电气电缆
6400
米
,
从而使此项目全
部达到了中交条件。
(
1
)
裂解炉工程按设计内部
已全部施工完毕
;
(
2
)
裂解炉工程质量经安装公司
内部质量初评合格
;
(
3
)
全部工艺管道耐压试验完
毕
,
完成了系统吹扫
;
(
4
)
高压蒸汽发生系统化学
清洗工作已完成
,
烘炉临时管线安装工作已全部
完成
;
(
5
)
废热锅炉、汽包等全部静设备强度试验、
无损检验完成并合格
;
(
6
)
引风机等动设备单机试
车、联动试车合格
;
(
7
)
电气系统调试联校完成并
合格
;
(
8
)
炉区临时设施已基本拆除完毕
,
施工现
场基本做到工完、料净、场地清
;
(
9
)
对烘炉有影响
的施工尾项及设计变更已全部处理完毕。
中交签字会上
,
设计、供应、施工等单位表示
,
将全力以赴按责任范围和规定时间做好各项尾项
改进工作
,
全力协助化工一厂裂解车间做好开车
前的各项准备工作。
© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
2024年4月23日发(作者：裔宏恺)
流程・模拟
石化技术
,2000,7
(
3
)
:166
～
169
计算流体力学
(CFD)
在化学工程中的应用
尹晔东 王运东 费维扬
(
清华大学化工系
,
北京
100084
)
3
计算流体力学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它方程。是化学工程
师用于分析问题和解决问题强有力的和用途广泛的工具。综述了
CFD
在化学工程领域的应用进展及发展趋势。
关键词
:
计算流体力学 数值模拟 流体流动 过程工程
计算流体力学
(
CFD
)
是流体力学的一个分
支。它通过计算机模拟获得某种流体在特定条件
下的有关信息。
CFD
包含了数学、计算机科学、
工程学和物理学等多种技术
,
这些技术的综合就
是流体流动的模型。
CFD
最先用离散方程解决
空气动力学中的流体力学问题。用有限差分方程
形式的奈维
-
斯托克斯方程
,
模拟雷诺数为
10
的
绕过圆柱的流体流动。从此
CFD
就成为研究各
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。过去
CFD
只是研究和发展
部门的专家使用的工具
,
现在
CFD
技术已经广泛
地应用于工业生产和设计部门。
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。近些年来
,
作为研
究流体流动的新方法
,CFD
在化工领域得到了越
来越广泛地应用。
CFD
模拟的目的是帮助理解流体流动
,
建立
理论和模拟的数学模型
,
在工程上支持设计过程
和作出决断。总而言之
,CFD
模拟的目的是作出
预测和获得知识。理论的预测出自于数学模型的
结果
,
而不是出自于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
的基础是动
量、能量、质量守恒方程。
CFD
计算的方法主要
有三种
:
差分法、有限元法、有限体积法。计算流
体力学的发展是伴随着计算机技术的发展而前进
的
,
后者是构成前者的基础。只有计算机的速度、
作 者 简 介
尹晔东 清华大学化学工程系博士研究生
,
从事化工分离设备内
的计算流体力学研究工作。
3国家自然科学基金资助项目
(
29836130
)
内存和外围设备达到一定程度时才会有计算流体
力学发展新阶段的出现。计算流体力学是多领域
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、数值分析等学科。这
些学科的交叉融合
,
相互促进和支持
,
推动着这些
学科的深入发展
[1]
。数值模拟也有一定的局限
性。首先是要有准确的数学模型
,
这不是所有问
题都能做到的。不少问题
,
其机理尚未完全清楚
,
很难有准确的数学模型。其次是数值模拟中对数
学方程进行离散化处理时需要对计算中所遇到的
稳定性、收敛性等进行分析。这些分析方法大部
分对线性方程是有效的
,
对非线性方程则不是有
效的。最后
,
数值模拟还受到计算机本身条件的
限制
,
即计算机运行速度和容量的限制。
1
计算流体力学
(CFD)
在化工领域的应
用
1.1
流化床
流化床最初的研究主要集中在对流化床整体
运行的描述上
,
这些对流化床的设计和操作有重
要意义。尽管有大量的实验室和工业数据
,
但是
难以将其综合起来进行解释
,
因为实验室阶段
,
由
于测量技术的限制不能获得足够的数据。流化床
中的气
-
固流按照建模的长度和时间
,
可以分为
三种
:
过程设备、计算单元、单个粒子。计算单元
水平上的模型
,
气相和固相被看作可以相互渗透
的连续介质
,
在奈维
-
斯托克斯方程中用局部平
均变量代替点变量
,
用
CFD
解方程。这种连续逼
近方法能提供气
-
固流体的有用信息
,
近些年成
为流化过程建模的主要方法。这种方法的缺点是
难以提供相间动量、能量、质量传递关联
,
无法建
立反映单个粒子的离散流动特性模型。
Xu
和
© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
尹晔东等
.
计算流体力学
(
CFD
)
在化学工程中的应用
・
167
・
Yu
[2]
用离散粒子逼近法和
CFD
相结合的方法
(
DPM-CFD
)
研究了流化床中的气固流。
Yang
κ
-
ε
湍流模等人
[3]
使用二维两相湍流水力模型
(
型
)
模拟向下流动的循环流化床中气固流体结构。
该模型考虑了固体粒子对气相湍流结构的影响
,
计算采用基于
SIMPLE
算法的改进方法。对径
向气体和固体粒子速度进行了预测
,
其结果与
LDV
测量值吻合。
1.2
搅拌
Harvey
和
Greaves
[4]
采用将搅拌器作为黑箱
(
blackbox
)
处理的方法
,
即用实验方法测定搅拌
器邻近区域以时间平均速度场
,
并以此为计算的
边界条件
,
模拟涡轮搅拌器。
Bakker
等人
[5]
提出
应用
CFD
研究搅拌的方法
:
在计算搅拌釜流体之
前
,
要把搅拌釜分成一些小单元
,
这一过程称为网
格化。
CFD
模拟能否成功取决于能否产生合适
的网格。网格生成后
,
质量
,
能量和动量守恒方
程
,
以及表示湍流作用和发生化学反应而产生或
消耗的物质的变量
,
都可以通过数值计算解得。
计算的一个重要部分就是满足方程的边界条件
,
一般把壁面的流体速度定为
0
。
Ljungqvist
和
Rasmuson
[6]
用
CFD
软件
FLOW3D
计算了存在气
液界面和不存在气液界面
(
即封闭和敞口搅拌釜
)
两种情况下
,
搅拌釜的流场。
Bode
[7]
用
STAR
的
CFD
程序
,
及由纽约
ADAPCO
开发的可以生成
移动网格的子程序
,
来研究三种混合过程
:
管道中
的混合、静态混合器中的混合、装有涡轮叶片搅拌
装置的混合槽中的流体流动。
CFD
和
LDV
(
多普
勒激光测速仪
,laserDopplervelocimetry
)
相结合
,
可以更深入地研究搅拌装置
[8
～
13]
。
LDV
测量数
据可以验证
CFD
计算结果
,
并且使用
LDV
测定
特定点的速度也可作为
CFD
计算的边界条件。
此外
PIV
(
粒子成像测速技术
,particleimagingve
2
locimetry
)
与
CFD
结合
,
也被用于研究搅拌
[14]
。
1.3
转盘萃取塔
(RDC)
Rieger
[15]
用
CFD
探讨了
RDC
中的两相流
,
他提出的模型可以详尽描述萃取塔中液
-
液流动
的多维扩散
,
计算出两相的速度场和局部体积分
率
,
这些结果有助于深入了解萃取过程。万银
坤
[16]
使用
PHOENICS1.4
软件
,
计算了添加挡板
前后转盘萃取塔内部流场的变化
,
并经
LDV
测试
结果证明添加挡板对
RDC
传质效率的积极作用。
1.4
填料塔
Hadson
等人
[17]
用
CFD
研究精馏所用的规整
填料。通过计算发现
,
填料中存在一个传质和传
热效率较低的特定区域
,
通过改变填料的形状
,
以
加强流体的径向和轴向混合
,CFD
计算表明
,
传
热效率升高
,
根据这一结果设计出的新型填料
,
经
实验表明填料的效率较高。
Tierney
等人
[18]
也通
过
CFD
软件计算了填料塔中流体运动。
1.5
燃料喷嘴气体动力学
Crocker
等人
[19]
使用
CFD
研究喷嘴的流场
,
由于喷嘴旋流流场的复杂性
,
难以确定边界条件、
生成网格
,
以及选定合适的湍流模型。他们采用
ACE
软件分析了喷嘴出口流场
,
为设计和提高喷
嘴效率提供有力的帮助。
CFD
的计算值和实验
数据吻合。
1.6
化学反应工程
CFD
在化学反应工程领域也得到了广泛应
用
[20,21]
。
Meier
等人
[22]
使用
CFD
设计和优化新
型高温太阳能化学反应器。
CFD
模拟提供了计
算速度、温度和压力场
,
以及粒子运动轨迹
,
而这
些数据在高辐射
(
>3000kW/m
2
)
和高温
(
>
1500K
)
条件下无法测量得到。
CFD
模拟结果由
冷模实验结果验证。
Holgren
和
Anderson
[23]
用商
用
CFD
软件
FIDAP,
采用有限元法
,
模拟了用整
块催化剂进行的催化燃烧、部分氧化和液相加氢
等化学反应。并与实验结果进行了比较。低密度
聚乙烯
(
LDPE
)
是一种用途广泛的聚合物
,
它需
要在高温高压条件下
,
经自由基聚合生成。该过
程需采用绝热高压釜反应器。
Read
等人
[24]
为了
获得对高压釜反应器内部混合和反应的深入认识
,
使用
FLUENT
商用软件计算了反应器的三维
模型
,
包括反应器、旋转浆叶、聚合动力学、湍流模
型
,
以及湍流反应速率模型。通过计算得到反应
器中不同操作情况下的流线、浓度梯度和温度梯
度。根据这些数据可以更好地认识
LDPE
聚合过
程
,
从而优化操作参数。
1.7
干燥
从本世纪
50
年代开始
,
人们就多次尝试用数
学方程描述喷雾干燥。在喷雾干燥中有很多复杂
现象难以用数学方程的形式表达。这些现象包括
喷雾的多分散性
,
雾沫夹带
,
分散相内部传热和传
质问题。
70
年代
Parti
和
Palancz
阐述了分散相
和连续相之间的动量、热量和质量传递的规律
,
Gauvin
和
Katta
提出了一种考虑了雾沫夹带和雾
化非均一性的模型
,
他们还给出了一个考虑了空
气的轴向和切向速度分布模型的解。所有的雾沫
© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
・
168
・
石化技术
2000
年第
7
卷第
3
期
夹带和干燥剂动力学之间的关系都是由实验得出
的。此后
,
研究者们又提出了大量的模型
,
其中一
些成功地应用于实际过程。
Crowe
等人提出了称
为单元内粒子源模型
(
PSI-cellmodel
)
。对
PSI
-cell
类型的模型改进和
CFD
软件使用的基础
上
,
人们成功地预测并分析了喷雾干燥中流场地
低频率振荡等现象
[25]
。
值运算能力
,
可以解算用解析方法不能求解的方
程
,
解决了某些理论流体力学无法解决的问题。
另外
,CFD
的应用
,
减少了实验测试次数
,
节省了
大量资金和时间
,
并能解决某些由于实验技术所
限
,
难以进行测量的问题。特别是大量的
CFD
软
件的出现
,
大大减少了
CFD
研究的工作量
,
降低
了对计算机知识的要求
,
使更多的研究者可以使
用
CFD
这一工具研究流体问题
,
从而扩大了
CFD
的应用范围
,
推动了流体力学更深入发展。
CFD
还不是一种很成熟的技术
,
通常需要处
理复杂的物理现象
,
多种尺度
,
还有湍流和反应现
象
,
难以找到合适的模型
,
对计算机的要求也较
高。
CFD
软件
,
即使是所谓的通用软件
,
也不是
适合于所有流体力学问题
,
需要使用者根据研究
的对象认真地选择合适的
CFD
软件及物理模型
,
使用它
,
并找出有价值的信息
[6]
。尽管有缺点
,
作为一种新学科
,CFD
将会随着技术的进步和发
展而日趋成熟
,
并且将在化工领域获得更广泛的
应用。
[
收稿日期
:2000-05-05]
参 考 文 献
1
朱自强等
.
应用计算流体力学
.
北京
:
北京航空航天大学出版
2
CFD
软件
为了能使工程师节省大量的编程时间
,
有关
人员编制了
CFD
软件
(
CFDcode
)
,
使
CFD
计算
变得方便、简单。
CFD
软件一般包括三个主要部
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。除了通用的
CFD
软件
,
还有一些专
门
CFD
软件。例如
FLUENT
公司开发的专门对
搅拌槽进行模拟的软件
-MixSim
。
以
FLUENT
公司开发的
FLUENT5.0
为
例
,
它可计算从不可压缩
(
低亚音速
)
到轻度可压
缩
(
跨音速
)
直至高度可压缩
(
超音速
)
流体的复杂
流动问题。
FLUENT5.0B
本身所带的物理模型
可以准确地预测层流、过渡流和湍流
,
多种方式的
传热和传质
,
化学反应
,
多相流和其它复杂现象。
它可以灵活地产生非结构网格
,
以适应复杂结构
,
并且能根据初步计算结果调整网格。前处理软件
Gambit,
提供了多方位的几何输入接口。计算采
社
,1998.
2
XuBH,gSci,1997,52
(
16
)
:2785
～
2805.
3
YANGYL,gComm,1998,170:133
～
157.
4
HarveyPS,nstChemEng,1982,60:201
用有限体积方法。通过
CORTEX
图形后处理软
件
,
可以得到二维和三维图象
,
包括速度矢量图、
等值线图
(
流线图、等压线图
)
、等值面图
(
等温面
和等马赫面图
)
、流动轨迹图、并具有积分功能
,
可
以求得力和流量等。
由于
CFD
软件的出现及不断改进
,
使原先繁
杂的工作变得简单
,
从而可以使工作集中与对复
杂流体问题本身进行深入细致的研究。
～
210.
5
BakkerA,FansanoJB,g,1994,Jan:94
～
100.
6
LjungqvistM,gCommun,1998,165:
123
～
150.
7
ersChemEng,1994,18:S247
～
S251.
8
Sch?ferM,H?fkenM,gResDes.1997,
75
(
A8
)
:729
～
739.
9
ArmenantePM,gSci,1997,52
(
20
)
:3483
～
3492.
10
NaudeI,emEng,1998,76
(
6
)
:631
～
640.
11
JaworskiZ,emEng,1996,74
(
1
)
:3
～
15.
12
ArmentePE,ympSer1994,90:33
～
43.
13
ArmentePE,,1996,42:42
～
54.
14
LambertoDJ,AlvarezMM,gSci,
1999,54
(
7
)
:919
～
942.
15
ersChemEng,1994,18:S229
～
S233.
16
万银坤
.
清华大学博士论文
.1998.
17
HodsonJ,gSympSer,1997,142:999
～
1007.
18
TierneyM,NasrA,ifTechnol,1998,13
3
总结
计算流体力学
(
CFD
)
包含了数学、计算机科
学、工程学和物理学等多种学科
,
这些学科的知识
综合起来
,
可以提供建立流体流动模型的方式和
方法。由于化工过程中经常会出现流体
,
所以流
体研究
(
流体力学
)
一直是化学工程中的重要内
容。在
CFD
出现以前
,
流体研究主要有理论流体
力学和实验流体力学两种手段。
CFD
出现后
,
不
仅丰富了流体研究的手段
,
而且由于其强大的数
© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
尹晔东等
.
计算流体力学
(
CFD
)
在化学工程中的应用
(
2
)
:97
～
107.
19
CrockerDS,FullerEJ,sTurbinesPow
2
er,1997,119
(
3
)
:527
～
534.
20
HarrisCK,gSci,1996,51
(
10
)
:1569
～
1594.
21
KuipersJAM,esChemEng,
1998,24:227
～
328.
・
169
・
22
MeierA,gSci,1996,51
(
11
)
:3181
～
3186.
23
HolgernA,gSci,1998,53
(
13
)
:285
～
2298.
24
ReadNK.,,1997,43
(
1
)
:104
～
117.
25
gJ,1995,58:123
～
133.
COMPUTATIONALFLUIDDYNAMICSFORCHEMICALENGINEERING
YinYedong,WangYundongandFeiWeiyang
(
DepartmentofChemicalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing,100084,
)
ABSTRACT
ComputationalFluidDynamics
(
CFD
)
involves
thenumericalsolutionofconservationequationsfor
momentum,energyandmassinaflowgeometryof
interest,togetherwithadditionalsetsofequations
erypower
2
fulandversatiletoolfortheanalysisandsolutionof
problemsthatofconsiderableinteresttothechemi
2
paperthecurrentcapabilities
ofCFDforchemicalengineeringdisciplinearere
2
progressinthepredictionsofflowandotherphysi
2
calparametersisoutlinedandthefuturetrendsof
CFDinchemicalengineeringaregiven.
Keywords:
ComputationalFluidDynamics,
numericalsimulation,fluidflow,processengineer
2
ing
两台
6
万吨乙烯裂解炉成功中交
2000
年
7
月
28
日
,
北京燕山石油化工有限
公司
66
万吨乙烯改扩建工程又一重点项目———
两台
6
万吨裂解炉经过
214
天艰苦奋战
,
提前
3
天实现中交
,
创造施工新记录
,
标志着
66
万吨乙
烯改扩建工程第一阶段战役进入尾声。
BA
—
107/108
两台
6
万吨裂解炉
,
是去年
9
月
15
日开始停炉拆除
,12
月
28
日开始钢结构安
装的
,
今年
5
月下旬开始设备安装工作
,6
月份开
始配管施工
,
共经过
7
个月的艰苦施工。国外先
进的施工记录是废热锅炉、汽包安装后需要
2
～
5
个月中交
,
而燕化安装公司完成全部配管任务仅
用了
45
天时间。此项目主要由燕化安装公司组
织施工
,
在有关单位的紧密配合下
,
克服了图纸不
全、材料拖期等困难
,
在非常狭窄的作业面上
,
先
后完成钢结构
320
吨、筑炉
11
万块
,
安装汽包、废
热锅炉和清焦罐等主要设备
20
台
,
配管
16000
米、仪表设备
517
台件、仪表电缆
43800
米、电气
设备
39
台件、电气电缆
6400
米
,
从而使此项目全
部达到了中交条件。
(
1
)
裂解炉工程按设计内部
已全部施工完毕
;
(
2
)
裂解炉工程质量经安装公司
内部质量初评合格
;
(
3
)
全部工艺管道耐压试验完
毕
,
完成了系统吹扫
;
(
4
)
高压蒸汽发生系统化学
清洗工作已完成
,
烘炉临时管线安装工作已全部
完成
;
(
5
)
废热锅炉、汽包等全部静设备强度试验、
无损检验完成并合格
;
(
6
)
引风机等动设备单机试
车、联动试车合格
;
(
7
)
电气系统调试联校完成并
合格
;
(
8
)
炉区临时设施已基本拆除完毕
,
施工现
场基本做到工完、料净、场地清
;
(
9
)
对烘炉有影响
的施工尾项及设计变更已全部处理完毕。
中交签字会上
,
设计、供应、施工等单位表示
,
将全力以赴按责任范围和规定时间做好各项尾项
改进工作
,
全力协助化工一厂裂解车间做好开车
前的各项准备工作。
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