计算流体力学_CFD_在化学工程中的应用_尹晔东

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)

　　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。

＊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。

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等人[3]使用二维两相湍流水力模型(κ-ε湍流模型)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-locimetry)与CFD结合,也被用于研究搅拌[14]。1.3　转盘萃取塔(RDC)

Rieger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

[17]用[15]

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/m2)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。[23]

·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。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社,1998.

2　XuBH,YuAB.ChemEngSci,1997,52(16):2785～

2805.

3　YANGYL,etal.ChemEngComm,1998,170:133～157.4　HarveyPS,GreavesM.TransInstChemEng,1982,60:201

～210.

5　BakkerA,FansanoJB,LengDE.ChemEng,1994,Jan:94

～100.

6　LjungqvistM,RasmusonA.ChemEngCommun,1998,165:123～150.

7　http://doc.guandang.netputersChemEng,1994,18:S247～S251.8　Sch?ferM,H?fkenM,DurstF.ChemEngResDes.1997,75(A8):729～739.

9　ArmenantePM,etal.ChemEngSci,1997,52(20):3483～3492.

10　NaudeI,etal.CanJChemEng,1998,76(6):631～640.11　JaworskiZ,etal.CanJChemEng,1996,74(1):3～15.12　ArmentePE,ChouCC.AIChESympSer1994,90:33～

43.

13　ArmentePE,ChouCC.AIChEJ,1996,42:42～54.14　LambertoDJ,AlvarezMM,MuzzioFJ.ChemEngSci,

1999,54(7):919～942.

15　http://doc.guandang.netputersChemEng,1994,18:S229～S233.16　万银坤.清华大学博士论文.1998.

17　HodsonJ,etal.ChemEngSympSer,1997,142:999～1007.,,[6]

。

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。

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

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,SmithCE.JEngGasTurbinesPow-er,1997,119(3):527～534.

20　HarrisCK,etal.ChemEngSci,1996,51(10):1569～

1594.

21　KuipersJAM,VanSwaaijWPM.AdvancesChemEng,

1998,24:227～328.

·169·

22　MeierA,etal.ChemEngSci,1996,51(11):3181～3186.23　HolgernA,AndersonB.ChemEngSci,1998,53(13):285

～2298.

24　ReadNK.,etal.AIChEJ,1997,43(1):104～117.25　ZbicinskiI.ChemEngJ,1995,58:123～133.

COMPUTATIONALFLUIDDYNAMICSFORCHEMICALENGINEERING

YinYedong,WangYundongandFeiWeiyang

(DepartmentofChemicalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing,100084,P.R.China)

ABSTRACT

　ComputationalFluidDynamics(CFD)involvesthenumericalsolutionofconservationequationsformomentum,energyandmassinaflowgeometryofinterest,togetherwithadditionalsetsofequationsreflectingtheproblemathand.Itisaverypower-fulandversatiletoolfortheanalysisandsolutionofproblemsthatofconsiderableinteresttothechemi-calengineer.Inthispaperthecurrentcapabilities

ofCFDforchemicalengineeringdisciplinearere-viewbygivingvariousapplications.Recentprogressinthepredictionsofflowandotherphysi-calparametersisoutlinedandthefuturetrendsofCFDinchemicalengineeringaregiven.

　Keywords:　ComputationalFluidDynamics,numericalsimulation,fluidflow,processengineer-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。