過程工程中的數值模擬20162

1、過程工程中的數值模擬（二）,潘艷秋 2016.04.10,過程工程中的數值模擬,,,,計算流體力學的未來,計算流體力學的應用,計算流體力學商業(yè)軟件簡介,計算流體力學基礎,數值模擬技術簡介,,,,,1,2,3,4,2,計算流體力學在化工中的應用,5,6,3,4.計算流體力學的應用,CFD應用范圍廣泛。所有涉及流體流動、換熱、分子輸送等現象的問題，基本都可通過CFD進行模擬和分析。應用領域：

2、水利工程、土木工程、航空航天工程、船舶和海洋結構工程、石油化工、建筑設計、環(huán)境工程、食品工程、工業(yè)制造、生物醫(yī)學以及交通運輸等領域 。,,4,4.計算流體力學的應用,4.1 在建筑學上的應用,案例1：瑞士再保險公司總部大樓(倫敦),外形獨特，“小黃瓜”，“宇宙飛船”、“穿網眼絲襪的雪茄”、“腌黃瓜”（Gherkin）…，總建筑面積7.64萬m2 ，高179.8m2004年完全投入使用。最吸引人的地方，不是名字和外觀，而是它較同樣的

3、建筑節(jié)能一半以上：倫敦第一幢具有環(huán)境進步意義(Environmental Progressive)的高層建筑。,5,4.計算流體力學的應用,利用CFD技術，計算一定水平風量條件下，建筑物表面的壓力分布狀況、建筑物室外的氣流狀況，圖示方法直觀描述。,模擬設計方案的室內自然通風狀況，幫助設計人員確定位于每層采光井周邊的通風口的位置。,設計是否合理？如何獲得最佳的自然通風效果。,6,4.計算流體力學的應用,為了保持博物館所在的河岸公園的完整

4、性，同時也是為了呼應基地附近的阿肯色河上的6座橋梁，該博物館的主體部分被設計成架空于地面之上的“橋”的形式。,案例2：克林頓博物館,7,CFD模擬室內溫度場。模擬結果：參觀者頭頂上方的空調出風氣流可以通過各個狹小的通道，并且沿著展墻上升，順利回到各個回風口，帶走展品釋放的熱量。,4.計算流體力學的應用,主要的空調送風和回風口及室內熱源的位置,Fluent模擬的室內氣溫狀況,8,4.2 在醫(yī)學上的應用,4.計算流體力學的應用,,模擬腦

5、脊液流體的動力學及其與大腦組織間的復雜的相互作用--研究中樞神經系統(tǒng)異常的病因、尋找可行的潛在補救措施。右圖：一個心跳周期的整個顱- 脊髓系統(tǒng)中腦脊液流速和壓力場的變化。,案例1：腦脊液流動模擬研究,9,利用ADINA軟件模擬腦脊液及其與腦組織的相互作用，通過求解Navier-Stokes方程和Darcy流方程，并與固態(tài)腦組織的運動方程耦合，對腦脊液整個顱脊系統(tǒng)的速度和壓力場進行計算。,案例2：腦積水的研究,4.計算流體力學的應用,1

6、0,。,,,,4.計算流體力學的應用,比較正常（左圖）、腦積水（右圖）之間的腦脊液流動模式。結果：腦積水引起的最大速度的位置和大小變化,11,4.計算流體力學的應用,4.3 在汽車工業(yè)的應用,通過對汽車車身的流場計算，得到車身表面的壓力場、速度場、氣動力和氣動力矩，繼而得出風阻系數等一系列設計參數，通過分析流場可以對流動過程和流場分布成因有更細致的了解；與實驗對比，通過修改車身幾何參數，達到優(yōu)化設計的目的。,案例1：汽車外形設計

7、優(yōu)化,某車車身外部流場圖,12,可通過預混或者非預混模型，模擬進氣和排氣過程。對于如何減小進排氣阻力、增大充氣效率、設計氣門閥升程和錐度、進排氣支管形狀等有重要意義。,案例2：發(fā)動機的設計優(yōu)化,4.計算流體力學的應用,利用燃燒模型，對氣缸內混合氣體的燃燒過程進行動態(tài)模擬，對提高燃燒效率、探索爆震和表面點火成因及研究相應對策有很重要的指導意義。,氣缸進氣流線圖,13,案例3：復數車輛的行駛狀況模擬,4.計算流體力學的應用,復數車輛的行駛：

8、會車、超車及隊列行駛3 種氣動特性是一個瞬態(tài)過程，目前國外也只是進行了初步定性的分析，但是這也是一個重要的研究方向，對于研究該狀態(tài)下的操縱穩(wěn)定性有重要的作用。右圖：1 輛小轎車超車時的靜壓分布圖。,幫助研究人員發(fā)現可能產生的操作穩(wěn)定性問題，為改善設計提供參考數據，有助于提高車輛行駛安全。,14,4.計算流體力學的應用,水輪機、風機和泵等流體機械內部的流體流動飛機和航天飛機等飛行器的設計 洪水波及河口潮流計算溫室及室內的空

9、氣流動及環(huán)境分析電子元器件的冷卻換熱器性能分析及換熱器片形狀的選取河流中污染物的擴散汽車尾氣對街道環(huán)境的污染……,此外，計算流體力學如今還可用于許多生活領域。,過程工程中的數值模擬,,,,計算流體力學的未來,計算流體力學的應用,計算流體力學商業(yè)軟件簡介,計算流體力學基礎知識,數值模擬技術簡介,,,,,1,2,3,4,15,計算流體力學在化工中的應用,5,6,16,5.計算流體力學在化工中的應用,化學工程技術被誤認為“夕陽”產業(yè)

10、化學工程技術相對粗糙（與機械制造和電子信息等技術的精密性和日新月異的發(fā)展比）。新技術的開發(fā)周期漫長、費用高昂、優(yōu)化困難。（在實驗室中發(fā)展的技術大多要經過小試、中試等逐級放大才能實現經濟規(guī)模的生產）,對過程的控制缺少有效的模型和反饋機制，運行難以穩(wěn)定和優(yōu)化。（設計中的不確定性、機理性認識的缺乏）,5.1 應用背景,17,5.計算流體力學在化工中的應用,計算流體力學應用于化工中的必然：國際上，傳統(tǒng)的大宗產品的產值份額不斷降低，許多跨

11、國公司的發(fā)展重點已轉向精細化學品，醫(yī)藥、生物和納米產品等高技術、高附加值產品。在學術研究領域，化學工程也在向微觀和宏觀進行拓展。,,18,化學化工學科與產業(yè)鏈條：涵蓋從分子、納微、單元(顆粒、液滴、氣泡)、聚團、設備、工廠、直至生態(tài)過程等不同尺度與層次每個環(huán)節(jié)緊密聯系，純粹依靠理論分析或實驗的經驗積累進行研究和開發(fā)已越來越困難。前期實驗的積累和計算機技術的迅速發(fā)展；數學建模與計算機模擬日漸成為研究熱點。,5.計算流體力學在化

12、工中的應用,19,5.計算流體力學在化工中的應用,另一方面，流體廣泛存在于化學工程這個領域的各個地方。 流體力學從狹義上講是處理流體的動量輸運問題的，但實際上絕大多數化工過程都是在流體的主導或參與下進行的，而“三傳一反”也往往是緊密耦合的，并且一般是在流體力學的框架下聯合求解的。 流體力學是化工技術的最重要基石之一。而計算流體力學在化工過程的計算機模擬中也占有核心地位，并且其作用也與日俱增。,20,5.計算流體力學在化工中的應用,5

13、.2 CFD在化工過程中的應用簡介,化學工程中，計算流體力學應用的具體設備與過程較多。,固定床流動和傳熱研究提供精確的局部流動和傳遞信息。如速度分布、壓力分布、溫度分布、組分濃度分布等，而傳統(tǒng)的研究方法一般只能提供上述參數的平均值。使固定床流動和傳熱研究進入到一個嶄新的時代，也為更高性能的固定床反應器的設計和開發(fā)帶來新的希望。,（1）攪拌床和移動床等涉及的單相湍流和多孔介質流,21,固定床內的流道幾何形狀極端復雜。兩類應用CFD的

14、研究：,5.計算流體力學在化工中的應用,把固定床視為一種等效的多孔介質或者采用擬均相假設, 發(fā)生在床層中的化學反應被處理成守恒方程的源項。,1,2,直接求解床層內復雜流道內的流動和傳遞控制方程。,隨著CFD技術的發(fā)展和成熟，近年來多采用直接模擬固定床流動和傳熱情形。,22,5.計算流體力學在化工中的應用,圖：Guardo等，CFD固定床反應器內的顆粒-流體的對流傳熱模擬研究。非結構化網格。,考察了密度梯度、流動方向、速度對傳熱的影響。

15、結論：,反向的密度梯度會引起水力學不穩(wěn)定性并因此產生軸向彌散和傳熱速率的降低。向上流動時可以獲得較大傳熱速率；流動速度本身會直接影響強制對流的傳熱速率, 流速越大越強化傳熱。,23,5.計算流體力學在化工中的應用,評價：固定床的CFD模擬也有其局限性。多局限于較少的填充顆粒數目（一般不超過100顆）和比較規(guī)則的填充方式（僅Guardo等采用介于規(guī)則填充和隨機填充之間的填充方式），這與工程中的真實的固定床的研究和開發(fā)需要還有一定的距離

16、。主要的兩大方面障礙：,24,5.計算流體力學在化工中的應用,（ 2）涉及顆粒流體的系統(tǒng),流化床、顆粒輸運、旋風分離器、顆粒沉降等旋風分離器：含雜質氣體沿軸的切向進入旋風分離器后，氣流受導向葉片的導流作用而產生強烈旋轉，密度大的液滴和塵粒在離心力作用下被甩向器壁，并在重力作用下，沿筒壁呈螺旋形下落流出旋風管排塵口至設備底部。旋轉的氣流在筒體內收縮向中心流動，向上形成二次渦流經導氣管流出，從而實現分離的目的。,25,5.計算流體

17、力學在化工中的應用,模擬結果：旋風分離器內的旋流速度及速度矢量圖，不同粒徑顆粒的運動軌跡→可進一步研究顆粒分離程度。,CFD模擬某粒徑顆粒在旋風分離器內運動軌跡圖示,26,5.計算流體力學在化工中的應用,例：乙烯裂解爐內的燃燒。乙烯裂解爐：乙烯裝置的關鍵設備之一，爐內的燃燒情況決定著裂解爐的運行情況。爐內的燃燒是一個復雜的物理化學過程, 影響因素很多，如爐膛的幾何尺寸、爐管的布置結構、燃燒器的結構形式、燃燒器的布置位置、燃料的組

18、成、燃料的流量和壓力等。CFD數值模擬技術是目前設計燃燒器或評價燃燒器優(yōu)劣的最先進的手段。,（ 3）化學反應的模擬（如燃燒器、反應器等）,27,5.計算流體力學在化工中的應用,對燃燒器進行CFD數值模擬的優(yōu)勢：,進行多方案比較。設計方案之間的區(qū)別可以通過修改幾何模型和調整網格實現，這就保證了方案之間的比較可以快速高效地進行。詳細地了解爐膛內的燃燒情況。通過CFD軟件的后處理功能, 爐膛內的火焰形狀、流場、溫度和壓力的分布場等都可通過

19、建立等值面、云圖等手段直觀地表達。經濟性。對燃燒器的CFD數值模擬完全在計算機上進行，相比于傳統(tǒng)的試驗方法可以大大降低研發(fā)費用。,液體燃燒系統(tǒng),28,5.計算流體力學在化工中的應用,右圖：由2個底部燃燒器和4個側壁燃燒器聯合供熱的燃燒器的溫度分布圖。溫度最高的區(qū)域：出現在底部燃燒器燃燒火焰的外圍區(qū)域，隨著高度的增加溫度有所降低；爐膛上部由側壁燃燒器補充熱量，使爐膛內靠近燃燒器的一邊形成高溫區(qū)域，與爐管面相鄰區(qū)域溫度略低。,29

20、,5.計算流體力學在化工中的應用,（4）在膜技術及膜生物反應器研究中的應用,CFD在膜技術領域的運用，比較早的是有關膜組件研究的水力學模型和其中流場運動情況的探索。1994年，Belfort總結了當時膜過濾中流體運動機理研究及進展，總結了各種數學模型的建立。將CFD用于膜分離工藝研究的報道最近才逐漸多起來。隨著流體力學模型的不斷完善，CFD在膜技術領域中的運用越來越多，主要運用在膜污染機理的研究、膜組件及反應器的設計優(yōu)化、水力條件

21、的模擬。,,30,5.計算流體力學在化工中的應用,CFD在膜技術領域研究中應用的優(yōu)勢：,31,案例1：在膜分離技術研究中的應用CFD在膜蒸餾過程的應用研究,膜蒸餾：采用疏水微孔膜并以膜兩側蒸氣分壓差作為傳質推動力的分離過程。與傳統(tǒng)分離技術相比，具有截留率高、成本低、操作溫度和操作壓力低、占地小等優(yōu)點，被公認為一種非常有前途的分離技術。,膜蒸餾原理圖,5.計算流體力學在化工中的應用,,,1.膜組件 2.壓力表 3.溫度計 4.轉子

22、流量計 5.量筒 6.料液輸送泵 7.冷卻水輸送泵 8.料液儲槽 9.冷卻水儲槽 10.調節(jié)閥圖1 實驗流程圖,5.計算流體力學在化工中的應用,33,研究意義：,通過CFD軟件對膜蒸餾過程的模擬研究,5.計算流體力學在化工中的應用,圖1 管式膜蒸餾三維網格局部示意圖,,,,（1）劃分網格,利用GAMBIT軟件對膜蒸餾的三維模型進行網格劃分，得到297513個網格，得到Hex/Wedge即六面體/楔形網格；,34,5.計算

23、流體力學在化工中的應用,,圖2 距入口不同距離處膜管內的速度等值線圖,（2）模擬結果,隨著距入口距離的增加，流動邊界層逐漸形成并發(fā)展，距入口處越遠流動邊界層越厚、中心速度越大，這與標準的管內速度分布規(guī)律一致。,35,5.計算流體力學在化工中的應用,,圖3：膜蒸餾過程的溫度分布等值線圖(料液區(qū)域和膜區(qū)域)。結果：流體區(qū)域溫度降幅很小，溫降主要集中在膜內。,36,5.計算流體力學在化工中的應用,,圖4：流量對溫度的影響,5.計算流體力學在

24、化工中的應用,,圖7 不同入口距離處膜管內的溫度分布,,圖9 膜管內的剪應力分布,內側膜面處的剪應力分布圖：在入口段（0-20mm）邊界層很薄，形成較大的速度梯度，剪應力的變化也較大；隨著邊界層的逐漸發(fā)展（20-40mm），速度分布趨緩，速度梯度逐漸變小，剪應力也隨之變??；進入充分發(fā)展區(qū)域（40-100mm），由于速度分布趨于穩(wěn)定，與z值無關，因而剪應力保持恒定不變。,5.計算流體力學在化工中的應用,39,案例2： CFD在合成氣制甲醇

25、中的應用研究,固定床管式甲醇合成反應器物理模型,,劃分網格,煤→制合成氣→制甲醇,,（1）,（2）,,加密：壁面附近,5.計算流體力學在化工中的應用,,反應速率云圖,反應溫度云圖,原料氣剛接觸催化劑床層時，a和b反應速率均最大。沿反應器軸向， a反應速率減小-增大-到0；b反應速率…,在催化劑區(qū)，反應管軸向溫度逐漸升高，距催化劑入口約40mm處溫度達最大值并保持不變。,5.計算流體力學在化工中的應用,,主要組分濃度分布,,還可得到的結果

26、：關于溫度、壓力、速度、濃度分布的線圖,5.計算流體力學在化工中的應用,,0.3微米微通道網格劃分圖示,,建立2維物理模型對應網格,,案例3： CFD在微通道換熱研究中的應用,5.計算流體力學在化工中的應用,Re=5000，中心速度沿流向分布圖,入口段,冷卻段,出口段,,5.計算流體力學在化工中的應用,,圖22 模擬得到的Cf-Re圖,轉捩發(fā)生：Re=2400--2800之間與經典理論、實驗結果基本相符。,Re=100—2000

27、0模擬得到的Cf-Re圖,,,5.計算流體力學在化工中的應用,,整體溫度分布,固體溫度分布,液體溫度分布,5.計算流體力學在化工中的應用,46,今后計算流體力學在化學工程領域的主要研究方向：利用CFD技術解決具體生產過程中的工程實際問題，創(chuàng)建高效、清潔的生產工藝和設備。CFD技術與化工工藝計算模擬軟件（如Pro‖、Hysys或Aspen等）的有效結合，使整個過程更具高效性。塔板上流體流場模擬與塔板效率計算的有效結合，這一領域的研究

28、今后將加大力度，在不久將來會有所突破。CFD技術與新設備、新工藝的開發(fā)相結合，創(chuàng)新工藝設備解決實驗室成果向產業(yè)化過度的瓶頸問題。,,5.計算流體力學在化工中的應用,47,5.計算流體力學在化工中的應用,CFD在膜技術領域研究中存在的問題：,48,5.計算流體力學在化工中的應用,如高效的微換熱器的開發(fā)[Tuckerman，1988]，微流體控制(microfluidics) [Groisma，2003]，微型硝化反應氫氣催化燃燒

29、系統(tǒng)[Cao，2005]為新興的微流動研究提供了令人激動的廣闊前景。,（5）CFD在微機械及微化工系統(tǒng)應用,（6）CFD在高分子復雜流體的流變學和流體力學模擬中的應用,5.計算流體力學在化工中的應用,高分子復雜流體的流變學和流體力學模擬：流動減阻[Alben，2002；Denn，2004]微生物的運動、細胞內的物質輸運現象等 [Pozrikidis，2003；Solem，2002]、生物反應器的設計[Dhanasek

30、haran，2005]、藥物釋控技術[Vuorio，2003]等。,,（7）用FLUENT 軟件模擬文丘里管水力空化現象,過程工程中的數值模擬,,,,計算流體力學的未來,計算流體力學的應用,計算流體力學商業(yè)軟件簡介,計算流體力學基礎知識,數值模擬技術簡介,,,,,1,2,3,4,51,計算流體力學在化工中的應用,5,6,52,6.計算流體力學的未來,CFD是對純理論和純實驗方法很好的促進和補充，已成為流體力學研究中的新一元。CFD今

31、后將服務于以下兩個方面：增強設計過程。計算流體力學在制造業(yè)當中已產生了非常大的影響，諸如前面我們提到過的飛機、汽車等的設計過程等，其都有著不可替代的重要作用。美國國家研究協會甚至在《21世紀航空技術》當中稱其為未來十年氣動設計的關鍵技術。作為研究工具增強人們對流體力學的理解并促進其研究。計算流體力學有著前面提到過的成本低、速度快、可模擬各種不同工況、可反復研究等獨特的優(yōu)點，必將更加廣泛地運用于流體力學領域的研究，結合理論及實驗，促進

32、人們對于流體力學的理解。,53,6.計算流體力學的未來,今后計算流體力學在化學工程領域的主要研究方向：利用CFD技術解決具體生產過程中的工程實際問題，創(chuàng)建高效、清潔的生產工藝和設備。CFD技術與化工工藝計算模擬軟件，如Pro2、Hysis或者Aspen等平臺的有效結合，使整個過程更具效率性。塔板上流體流場模擬與塔板效率計算的有效結合，這一領域的研究今后將加大力度，在不久將來會有所突破。CFD技術與新設備、新工藝的開發(fā)相結合，創(chuàng)新