計(jì)算流體力學(xué)在化學(xué)工程中應(yīng)用

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摘要：化工行業(yè)的發(fā)展需要先進(jìn)理論支撐，其中，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)是基于各種計(jì)算方程的一種動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法。它可以計(jì)算許多化學(xué)反應(yīng)設(shè)備中的動(dòng)量、質(zhì)量和能量。該理論最早用于化學(xué)工程領(lǐng)域，主要用于流體流動(dòng)的研究。在當(dāng)前的化學(xué)領(lǐng)域，計(jì)算流體力學(xué)已經(jīng)成為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科。它可以有效地解決很多領(lǐng)域的化學(xué)問(wèn)題，對(duì)推動(dòng)化學(xué)技術(shù)的發(fā)展和解決化學(xué)工程問(wèn)題起到了很好的作用。

關(guān)鍵詞：計(jì)算流體力學(xué)；應(yīng)用研究；化學(xué)工程

化學(xué)工程以化學(xué)工業(yè)為研究對(duì)象，還包括其他領(lǐng)域生產(chǎn)中涉及的化學(xué)和物理過(guò)程的一般規(guī)律，如石油精煉和塑料合成等典型化學(xué)生產(chǎn)，還包括納米技術(shù)和生物工程等現(xiàn)代化學(xué)領(lǐng)域。在技術(shù)帶動(dòng)下，化學(xué)工程為人類社會(huì)的發(fā)展起到的促進(jìn)作用正在逐漸加深，尤其是在時(shí)代不斷進(jìn)步的背景下逐漸出現(xiàn)了一些新的化工材料，在生產(chǎn)生活中發(fā)揮出了巨大的作用。

1計(jì)算流體力學(xué)概述

1.1概念分析

在計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和迅速普及的過(guò)程中，計(jì)算機(jī)、流體力學(xué)和數(shù)學(xué)之間出現(xiàn)了一門(mén)多學(xué)科的學(xué)科，即計(jì)算流體力學(xué)。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是20世紀(jì)興起的一門(mén)交叉學(xué)科。這門(mén)理論起源于飛機(jī)制造領(lǐng)域，在分析過(guò)程中通過(guò)迭加的方式模擬具體的問(wèn)題，模擬流體結(jié)構(gòu)并求解。計(jì)算流體力學(xué)主要是計(jì)算流體力學(xué)控制方程的數(shù)值，然后可以得到流場(chǎng)的離散定量描述結(jié)果。計(jì)算流體力學(xué)的相關(guān)研究主要采用數(shù)值方法和計(jì)算機(jī)求解流體力學(xué)的控制方程，然后對(duì)流體力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行模擬和分析。計(jì)算流體力學(xué)的主要方法有有限差分法、質(zhì)點(diǎn)法、間斷有限元法等，一般是用在計(jì)算簡(jiǎn)單外形的高精度工程之上。

1.2計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展分析

計(jì)算流體力學(xué)與其他學(xué)科相同，都是建立在理論與實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在該學(xué)科出現(xiàn)之前實(shí)際上就已經(jīng)存在理論與實(shí)踐兩大流體力學(xué)。在計(jì)算流體力學(xué)出現(xiàn)以后，這些問(wèn)題都得到了有效解決，所以可以將其看成是傳統(tǒng)流體力學(xué)的一種補(bǔ)充?？v觀計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，實(shí)際上在19世紀(jì)末期就有學(xué)者提出了采用數(shù)值方法來(lái)解決流體力學(xué)問(wèn)題，不過(guò)在當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)還沒(méi)有出現(xiàn)，再加上當(dāng)時(shí)人們所使用的各種計(jì)算工具還非常落后，所以該思想還停留在理論層面，直到計(jì)算機(jī)技術(shù)出現(xiàn)之前還沒(méi)有得到有效印證，尤其是不適合用于解決當(dāng)時(shí)比較復(fù)雜的流體力學(xué)問(wèn)題[1]。自1946年計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以后，該思路才得到了充分認(rèn)證，電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)為這一思想創(chuàng)造了良好契機(jī)，集合了數(shù)值方法與計(jì)算機(jī)的模擬與計(jì)算，為在諸多復(fù)雜性的問(wèn)題提供了全新的解決思路與方法。此后，在流體力學(xué)領(lǐng)域計(jì)算機(jī)持續(xù)發(fā)揮著重要的作用，在后續(xù)發(fā)展過(guò)程中相繼出現(xiàn)了一大批研究論著，到目前計(jì)算機(jī)流體力學(xué)已經(jīng)在許多領(lǐng)域中都發(fā)揮出了良好的應(yīng)用效果。

2化學(xué)工程中計(jì)算流體力學(xué)的基本原理分析

計(jì)算流體力學(xué)主要通過(guò)數(shù)值計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)化工幾何空間中質(zhì)量、熱量和動(dòng)量等計(jì)算，利用控制方程來(lái)研究化工中不同流體的流動(dòng)規(guī)律和現(xiàn)象。通常來(lái)說(shuō)，計(jì)算流體學(xué)的數(shù)值計(jì)算方法有很多，比如包括數(shù)值有限元法、數(shù)值差分法等都是比較常見(jiàn)的。對(duì)于計(jì)算流體力學(xué)的真實(shí)模擬是關(guān)鍵步驟，該過(guò)程主要是為了預(yù)測(cè)流體的流動(dòng)，并且建立在這種方式之上，落實(shí)好流體流動(dòng)的相關(guān)信息獲取，通過(guò)這種方式可以有效對(duì)化學(xué)工程中的流體流動(dòng)進(jìn)行控制。在科技不斷進(jìn)步的過(guò)程中，市面上也相繼出現(xiàn)了多種計(jì)算流體力學(xué)軟件，這些軟件的出現(xiàn)為工程師對(duì)流體進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算提供了豐富的指導(dǎo)意見(jiàn)。

3計(jì)算流體力學(xué)在化學(xué)工程中的應(yīng)用策略

3.1在攪拌中的應(yīng)用

在化工中，攪拌是一種常見(jiàn)的化學(xué)反應(yīng)，主要用于反應(yīng)介質(zhì)之間的流動(dòng)性。然而化工攪拌是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，采用傳統(tǒng)的計(jì)算方法無(wú)法有效地解決許多問(wèn)題。同時(shí)，在攪拌化學(xué)試劑的過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)攪拌不均勻的現(xiàn)象，同時(shí)，在湍流狀態(tài)下，能量分布也可能不均勻。這進(jìn)一步表明，如果仍采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行分析和檢測(cè)，最終的結(jié)果必然會(huì)有很大的局限性，結(jié)果的準(zhǔn)確性無(wú)法保證。利用計(jì)算流體力學(xué)可以有效地檢驗(yàn)?zāi)M過(guò)程中流體的形態(tài)，同時(shí)可以進(jìn)一步驗(yàn)證能量、質(zhì)量等數(shù)據(jù)。需要注意的是，流體的變化可能會(huì)受到容器形狀、時(shí)間等因素影響，所以可以通過(guò)構(gòu)建三維空間模型的方式進(jìn)行，這也是未來(lái)科學(xué)發(fā)展的主要趨勢(shì)之一。在時(shí)代不斷進(jìn)步的過(guò)程中，科技研發(fā)水平不斷提升，出現(xiàn)了不少有助于三維計(jì)算形式的設(shè)備、儀器，如多普勒激光測(cè)速儀，在提高化工原料應(yīng)用有效性方法發(fā)揮出了良好的效果，不過(guò)我們當(dāng)前還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到計(jì)算流體力學(xué)仍然存在許多不足的地方，在未來(lái)還需要不斷對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

3.2在熱換器中的應(yīng)用

在化學(xué)工程領(lǐng)域熱換器屬于常用的一種設(shè)備，它的用途主要是在與化工原料產(chǎn)生反應(yīng)的時(shí)候，能夠?qū)囟人l(fā)生的變化進(jìn)行控制。熱換器在化學(xué)工程中的具體使用，在用途不同的情況下，還應(yīng)當(dāng)采用不同類型的熱換器，所以也需要使用不同的計(jì)算流體力學(xué)方法。通常，如果要通過(guò)使用灌溉熱交換器來(lái)增加傳熱速率，可以通過(guò)對(duì)流體湍流速度進(jìn)行調(diào)整的方式實(shí)現(xiàn)，與灌溉熱交換器不同的是，如果使用板式熱換器，則應(yīng)當(dāng)通過(guò)增大流體接觸面積的方式實(shí)現(xiàn)。諸如再沸器、冷卻塔等設(shè)備來(lái)說(shuō)，雖然它們有著更加復(fù)雜的熱量交換形式，不過(guò)它們可以重復(fù)進(jìn)行換熱，在這樣的情況下就可以有效提高換熱的時(shí)間，最終可以達(dá)到一種良好的效果[2]。因此在實(shí)際計(jì)算流體力學(xué)期間，不僅需要分析溫度的變化，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)著重分析流體的接觸面積、速度等要素，通過(guò)這種方式可以更加方便地計(jì)算出不同設(shè)備的熱交換效果，同時(shí)還能夠結(jié)合化工生產(chǎn)需求選擇合適的設(shè)備。

3.3在精餾塔中的應(yīng)用

在計(jì)算流體力學(xué)不斷發(fā)展過(guò)程中，它的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛，目前在對(duì)精餾塔內(nèi)氣體、液體兩相流動(dòng)和傳質(zhì)的研究中，已成為一種重要的計(jì)算工具，其可以通過(guò)數(shù)據(jù)模擬方式，準(zhǔn)確將精餾塔內(nèi)兩相的流動(dòng)狀況計(jì)算出來(lái)。當(dāng)前針對(duì)兩相流體力學(xué)一般是采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算，針對(duì)氣液兩相流動(dòng)的傳質(zhì)與傳熱，主要借助已有數(shù)據(jù)進(jìn)行推測(cè)設(shè)計(jì)，在這樣的情況下容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)依據(jù)不充分，設(shè)計(jì)過(guò)程中存在許多不確定因素，很容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗，嚴(yán)重可能會(huì)引發(fā)安全事故。國(guó)內(nèi)有學(xué)者采用連續(xù)性方程以及N2S方程，利用較為簡(jiǎn)化的邊界條件對(duì)填料塔中的氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行模擬，在對(duì)速度分布進(jìn)行求解的同時(shí)，與傳質(zhì)、傳熱方程聯(lián)解求出濃度、濕度以及溫度分布[3]。在流體力學(xué)以及傳熱、傳質(zhì)過(guò)程中，通過(guò)這種方式能夠更加精準(zhǔn)地將塔徑計(jì)算出來(lái)。不過(guò)針對(duì)傳質(zhì)與傳熱過(guò)程，計(jì)算流體力學(xué)應(yīng)用與實(shí)施工業(yè)應(yīng)用仍然還有不小的差距，所以在未來(lái)還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)其的研究。

3.4在化學(xué)反應(yīng)工程中的應(yīng)用

在化學(xué)反應(yīng)工程中，影響產(chǎn)品和反應(yīng)物化學(xué)反應(yīng)速率的因素有很多，這些因素如壓力、溫度、設(shè)備等對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響也是不同的，在實(shí)際的計(jì)算過(guò)程中，如果利用計(jì)算流體力學(xué)，在一定程度上能保障化學(xué)反應(yīng)工程的有序進(jìn)行。整體上，該方法可保障有效地獲取實(shí)際反應(yīng)中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，保持反應(yīng)的穩(wěn)定性。當(dāng)反應(yīng)溫度過(guò)高時(shí)，分子運(yùn)動(dòng)會(huì)非常劇烈，在這種情況下，整體的測(cè)試結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的偏差，而只有通過(guò)正常的變化規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡將受到嚴(yán)重影響。由于模型中存在的數(shù)據(jù)只能夠?qū)φ顟B(tài)進(jìn)行反應(yīng)，在溫度過(guò)高的情況下所得出的結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)存在很大差距[4]。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，可采用有限元法計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)。在使用CFD軟件的過(guò)程中，通過(guò)有效的計(jì)算和工程反應(yīng)器皿改良，可以預(yù)測(cè)反應(yīng)器的壓力、溫度和速度。在這樣的情況下化學(xué)反應(yīng)工程中的聚合過(guò)程將變得更加清晰，以便能夠更加直觀地了解到反應(yīng)過(guò)程，保障前期獲取、計(jì)算數(shù)據(jù)等過(guò)程的有序進(jìn)行，幫助實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)中的相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化處理，提升反應(yīng)工程效能。

3.5在流體噴射分布中的應(yīng)用

以往在對(duì)噴射進(jìn)行研究的過(guò)程中，主要是利用實(shí)驗(yàn)的過(guò)程來(lái)對(duì)噴嘴噴射的系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，一些文獻(xiàn)中也對(duì)噴嘴的分散效果進(jìn)行了研究，但是因?yàn)檠芯空邔?duì)于噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸的選擇有所不同，所以他們所獲得的結(jié)果有著一定的差異。與此同時(shí)，在研究的過(guò)程中，主要是對(duì)噴嘴出口流動(dòng)的測(cè)量來(lái)分析噴射器，并未對(duì)噴嘴內(nèi)部濃度和流場(chǎng)的信息進(jìn)行收集，這種研究方法僅僅能夠從宏觀角度上對(duì)噴嘴性能進(jìn)行判定，無(wú)法將所獲得的信息用來(lái)對(duì)噴嘴進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。近些年來(lái)隨著噴嘴設(shè)計(jì)要求提升，對(duì)于其內(nèi)部流場(chǎng)信息的獲取非常必要，那么在噴嘴設(shè)計(jì)中應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)來(lái)對(duì)噴嘴的流道進(jìn)行模擬，從而對(duì)其中的流場(chǎng)分布進(jìn)行掌握，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，同時(shí)也降低了噴嘴中存在的阻力，進(jìn)一步提升噴射效率。另外，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)能夠?qū)θ細(xì)鈬娮爝M(jìn)出口進(jìn)行模擬，對(duì)流量系數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，使得最終的結(jié)果能夠更加的接近實(shí)際數(shù)據(jù)。

3.6在膜分離過(guò)程中的應(yīng)用

通過(guò)對(duì)計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)濃度場(chǎng)和流場(chǎng)的可視化，將其應(yīng)用到膜過(guò)程中，將操作參數(shù)有效的篩選出來(lái)，例如操作溫度和錯(cuò)流速率等。膜過(guò)程傳質(zhì)優(yōu)化主要是通過(guò)提升傳質(zhì)系統(tǒng)來(lái)把控膜污染和濃差極化。首先是脈動(dòng)流，在二維格網(wǎng)填充流道應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)，對(duì)抗污染的機(jī)理及力學(xué)規(guī)律進(jìn)行模擬，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，隔網(wǎng)填充流道電滲流有著十分明顯的傳質(zhì)增強(qiáng)效果，如果處于穩(wěn)態(tài)條件下滑移速率均勻，能夠減少膜表面的濃度區(qū)域及停滯區(qū)域。如果處于非穩(wěn)態(tài)條件下，滑移動(dòng)速度的變化能夠增強(qiáng)膜表面剪應(yīng)力，對(duì)渦流進(jìn)行引導(dǎo)，從而對(duì)邊界層進(jìn)行帶動(dòng)，有效的抑制膜污染。這種增強(qiáng)傳質(zhì)效應(yīng)與震蕩頻率之間沒(méi)有表現(xiàn)出正比例關(guān)系，達(dá)到共振頻率最佳的傳質(zhì)增強(qiáng)效應(yīng)。其次是兩相流，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，兩相流能夠形成膜表面的湍流，在多種膜組件中對(duì)于兩相流的應(yīng)用都得到了較好的效果，提升了抗污染能力，降低了濃差極化。在管式膜微濾環(huán)節(jié)中，應(yīng)用兩相流，并通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)來(lái)對(duì)力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行模擬，所獲得的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)過(guò)程所獲得的數(shù)據(jù)相互符合，從而增強(qiáng)剪切效率，對(duì)表面污染沉積進(jìn)行有效控制。

3.7薄膜蒸發(fā)器的應(yīng)用

通過(guò)對(duì)計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用，讓薄膜蒸發(fā)器中的場(chǎng)分布能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，讓薄膜蒸發(fā)器中的液膜流動(dòng)和傳質(zhì)機(jī)理獲得了更加深入的研究。通過(guò)有限差分法來(lái)對(duì)蒸發(fā)裝置中的流體流動(dòng)進(jìn)行模擬，從而獲得落體速度分布，通過(guò)計(jì)算能夠看到，薄膜蒸發(fā)裝置中的渦旋流動(dòng)液體達(dá)到了總體的70%，通過(guò)利用多板刮板的方式能夠進(jìn)一步推動(dòng)渦旋和液膜之間的物質(zhì)交換，從而進(jìn)一步提升整體的蒸發(fā)率，但工藝參數(shù)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生的影響并未進(jìn)行進(jìn)一步的分析。通過(guò)分析軟件來(lái)對(duì)薄膜蒸發(fā)裝置中的流體流動(dòng)進(jìn)行模擬，其結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相同，說(shuō)明了計(jì)算流體力學(xué)在薄膜蒸發(fā)器中應(yīng)用的可行性。在此研究基礎(chǔ)上，根據(jù)料液測(cè)量的停留情況來(lái)對(duì)不同的料液采用相應(yīng)的計(jì)算法，通過(guò)對(duì)薄膜蒸發(fā)裝置中料液流動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，對(duì)刮板轉(zhuǎn)速進(jìn)行深入的探討，同時(shí)也包括料液粘度對(duì)流場(chǎng)所形成的影響。但在薄膜蒸發(fā)裝置中，整個(gè)蒸發(fā)的過(guò)程較為復(fù)雜，基于計(jì)算流體力學(xué)的薄膜蒸發(fā)裝置特性研究仍然十分少見(jiàn)。

3.8燃燒反應(yīng)裝置的應(yīng)用

在燃燒系統(tǒng)中，對(duì)于計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用也十分廣泛，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)能夠?qū)θ紵械臓顟B(tài)參數(shù)進(jìn)行有效的模擬，從而加強(qiáng)對(duì)燃燒過(guò)程的理解，實(shí)現(xiàn)燃燒反應(yīng)裝置的優(yōu)化，從而對(duì)污染排放進(jìn)行有效的控制。

3.9生化反應(yīng)裝置的應(yīng)用

在生化反應(yīng)裝置的模擬研究中，計(jì)算流體力學(xué)同樣也是十分重要的研究手段，主要包括了氣升式環(huán)流反應(yīng)裝置和攪拌式生化反應(yīng)裝置，通過(guò)對(duì)計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用能夠?qū)Ψ磻?yīng)裝置中的溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)等信息進(jìn)行獲取，這對(duì)于研究生化反應(yīng)裝置中的優(yōu)化、設(shè)計(jì)、混合傳質(zhì)有著重要的意義。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，流體在化學(xué)工程中是十分常見(jiàn)的一類物質(zhì)，計(jì)算流體力學(xué)的方式進(jìn)行模擬和分析是一種非常實(shí)用的辦法，因此計(jì)算流體力學(xué)在化學(xué)工程中得到了廣泛應(yīng)用。不過(guò)該學(xué)科的發(fā)展時(shí)間尚短，相關(guān)技術(shù)還需要進(jìn)一步得到完善，因此我國(guó)還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)研究，力求其能夠在化工行業(yè)中更多領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

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作者:李雪 單位:吉林省石油化工設(shè)計(jì)研究院