CFD技术在化工机械设计中的应用

摘要：在化工机械设计中引入CFD技术，这种引入的技术在化工机械行业已经日益发展起来。本文将对CFD数字模拟技术的特点进行介绍，举例说明CFD技术在化工机械设计中的应用技术，以求让读者了解使用CFD技术解决化工问题的求解过程，为读者了解和研究化工机械模拟做下铺垫。

关键词：数字模拟；化工机械；计算流体动力学

引言：我国社会工业化在不断发展进步，应用化工机械的领域也越来越多，各领域对化工机械的性能、可靠性、安全性、设计和造价等的要求也越来越高。人们对产品的质量和对市场的相应速度的要求日益提高，已经超出了传统的暗箱操作设计所能达到的水平。计算机信息时代的到来，为解决此类问题提供了新方法，造就了工业化发展的另一个飞跃。计算机中的数值模拟技术是现在的先进技术之一，将其引入到机械设计中，采用数值计算分析，可以加快设计计算的速度，增加仿真模拟技术模块，提供给了工程技术一个解决问题的途径，所以化工、能源等的机械设计都在努力进行数字模拟的改革。本文将在化工领域背景下，为大家介绍CFD技术的应用。

1.CFD技术简介

CFD是计算流体动力学的简称，它是计算机技术、流体力学和数量方法交叉产生的一门新学科，属于计算机辅助工程的一种，在流体力学的研究中有广泛应用。CFD包括CFX、FLOTRAN、FLUENT等多个领域的计算软件，可以计算传热、传质、层流、湍流、辐射、定常流、非定常流等多种化学反应。这些计算软件可根据不同流动化学反应设置不同的求解数值方法，在其预处理和后处理之间可以很方便的交换数值，为研究者在编程、计算方法、和预、后处理中节省了精力，从而能使研究者更专注于技术问题研究[1]。

CFD软件为计算流动的数值创建了合理的数学模型，这些数学模型可以有效和精确地反映出问题间未知量的关系，并根据具体情况设置收敛条件，使用高效、可靠的迭代技术方法，收敛到要求的精度后，再将流场各部分的状态以图形或近似值的方式呈现给用户，或是用户使用自定义函数对所需信息进行查询。CFD技术有其独特优势：效率高、可控性强、功能齐全、便于更新优化等，可以有效且快速地模拟设备内部的流场情况，得到了工程领域的青睐。

目前，软件在计算固体力学中已发展的较为成熟了，与其比较，计算流体动力学软件发展的较晚，并且对技术人员的专业知识要求较高，所以没有技术固体力学的软件那样为人所知。一般来说，为使内部的物料达到更好的工况，就需要对机械设备结构进行优化，采集物料的速度、浓度、温度、压强等分布情况数据信息，就能为优化提供数据根据，从而设计出优化目标和实施过程。在对机械设备内部各种物料信息的采集和呈现方式上，CFD技术提供了一种新方法，可以较好的模拟流场，采集流场的详细数据，且比预想的更为全面。在设计阶段就能达到对操作和性能的严格要求，这便是使用CFD的突出优点。CFD可以更改已做过实验的设计，实验设计不会再像传统方法一样不能更改，此外，CFD在对设备潜伏问题的分析上起到了重要作用。

2.CFD在化工机械设计中的应用

本文将举例说明化工机械设计背景下CFD技术的应用。

在石油、矿山、化工和轻工业等行业中，旋风分离器因其分离、除尘等功能而得到广泛使用[2]。然而，在这些领域中还存在着气力输送、分离、流态化、干燥等多相流典型问题。因此，以多相流问题的解决来说明CFD技术的应用。

2.1.建模

第一步是要用软件建立几何模型，如AutoCAD、Solid Works等软件。下面将以高效型旋风分离器为例进行说明，如图2-1所示。

图2-1 旋风分离器几何结构

第二步是对模型进行网格划分：数字模拟的预处理过程就是网格划分过程，网格划分的质量直接会影响到模拟结果。对三维模型的网格划分有楔形网格、四面体网格、混合网格和六面体网格等类型，在对网格使用时，要根据流体特征对网格类型进行选择。此外，网格的数目要适中，并不是越多就越好，数目达到一定程度后对计算精度的影响就可以基本忽略了，但却会增加计算需要的内存、降低收敛效率。就本文此例来讲，就可以使用分块网格技术进行网格划分。

2.2.数值求解

要给模型选择合适的流场特征计算模型、运行条件、物料属性等，在对数值进行迭代求解。如：根据旋风分离器内流场的三维强旋转湍流的各向异性，而选择复杂的雷诺应力湍流模型；在对气、固两相流场进行计算时，采用散相模型中的相间耦合随机轨道模型[3]。

在求解过程中，要先使用三维数值单独模拟旋风分离器内的气相流场，然后计算收敛，用得到的稳定流场加载固体颗粒相，在拉格朗日坐标系中追踪各颗粒的运动轨迹。

2.3.结果分析和讨论

由于旋风分离器设备内部的流场复杂性较高，使用实验很难将所有数据都测得，而使用数值模拟技术能够将各部分数据全面地、直观地模拟出来，功能强大。在考查速度时，可以查看任意考查点的合速度、极坐标下各分速度、柱坐标下分速度等，可根据要求通过不同形式展现模拟结果，数据可通过矢量图、统计直方图、分布云图等形式展现。

颗粒在旋风分离器设备中是存在运动轨迹的，这种运动轨迹是一般实验方法无法获得的，而通过追踪模拟，就可以将颗粒的运动轨迹直观的呈现在人们面前[4]。

3.总结

作为一种先进虚拟技术，CFD技术可以对机械设备内部的流场进行模拟，获得包括压强、速度、温度、浓度等分布的直观数据信息，具有强大的模拟和分析功能。本文举例阐述了使用CFD技术进行解决问题的过程，说明了其计算的实用性，希望能为读者进一步了解CFD技术以及进行优化研究提供帮助。

参考文献：

[1] 严庆生.CFD方法在流体机械设计中的应用[J].电子制作，2013，9（30）：112-113.

[2] 李志川.CFD技术在潮流能发电装置设计中的应用[J].应用能源技术，2013，3（5）：43-44.

[3] 陈铁军.贯流式水轮机CFD设计平台研究[D].北京：清华大学，2011.

[4] 张亚军.CFD技术在化工机械设计中的应用[J].贵州化工，2010，2（13）：56-57.

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