CFD技术在化工机械设计的应用

1、CFD技术在化工机械设计的应用摘要：在化工生产过程中，化工机械设计是重要的组成部分，通过机械设计制造出高性能的化工生产设备，从而提高化工企业生产效率和质量。我国正在加大化工机械设计的投入力度，积极应用先进的设计技术，如CFD技术，利用CFD技术根据化工生产需求选用合适的材料，有助于增强化工机械的生产能力。文章围绕CFD技术在化工机械设计中的应用展开讨论，为化工机械设计提供参考依据。关键词：化工机械；数值模拟；计算机流体力学；旋风分离器0引言在社会和经济发展过程中，科学技术发展速度不断加快，在化工机械设计中积极应用CFD技术，不仅使化工机械规模不断扩大、功能不断增加，还能设计出不同种类的化工设备

2、，满足化工企业的生产需求。由于化工生产具有一定的特殊性，多数生产需要在密闭的环境中进行，提高化工机械的密闭性，使化工生产处于安全稳定的环境，需要先进的机械设计技术，而CFD技术满足化工机械设备的设计需求。1计算机流体力学简介CFD技术全称为计算机流体动力学，是计算机技术、数理方法以及流体力学共同形成的新型技术。作为计算机辅助工程重要的组成部分，在流体力学领域广泛应用CFD技术，通过CFD技术模拟机械设备内部形成的流体环境，以便分析流体力学对机械设备产生的影响，针对不利于因素进行深入的研究，从而降低不利因素对机械设备内部造成的破坏。使用计算机模拟机械设备内部流体环境时，根据流体环境的变化，可以选

3、用多样化的计算机软件，如FLOTEAN、FLUENT以及CFX等。在模拟机械设备内部环境过程中，通过CFD技术计算模拟环境中产生的未知量，采用流体计算方法进行迭代计算，完成计算后会直观的呈现出模型中流体环境的状态，有助于用户掌握机械设备内部真实的环境。现阶段CFD技术应用在化工机械设计中，由于缺少计算流体环境的软件，需要掌握机械设备内部处理物料的过程产生的参数，包括速度、压强、浓度以及温度等，以便快速分析机械设备内部的环境，在应用CFD技术时模拟出机械设备内部产生的变化，包括气态转为固态、液态转为固态以及气态转为液态等，可以使设计内容满足机械设备的生产需求，并且还能优化和完善化工机械设备。2C

4、FD技术在化工机械设计中的应用CFD技术在化工机械设计中的应用过程中，使用CFD技术设计旋风分离器，旋风分离器在石油、矿山等领域应用较为广泛，在现代化工生产过程中，使用旋风分离器进行分离、除尘等一系列的化工生产，有效提高化工生产效率。但是旋风分离器在进行化工生产时，由于机械内部会形成多相流环境，每个环节的生产都会受到多相流环境的影响，导致气力输送、流态化等过程出现不同的问题。为有效解决旋风分离器化工生产出现的问题，应用CFD技术模拟旋风分离器内部产生的流体环境，通过模拟获得气态、固态等状态下的数值，以便优化和完善旋风分离器机械设计，提高旋风分离器的生产能力。2.1建立模型建立旋风分离器模型，需

5、要按照以下流程进行：第一，为旋风分离器建立几何模型，在建立模型时，采用Stairmand软件建立高效型旋风分离器模型，模型的几何参数依次设定为a=95mm、b=38mm以及S=95mm；第二，对建立的模型进行网格划分。网格种类包括四面体网格、楔形网格以及六面体网格等，根据化工机械内部流体环境的特征，需要选用合适的网格。随后进行网格划分，网格划分时采用分块网格技术，在模型中划分出5个子区域，每个区域具有几何形状特征，以便符合模型计算要求；第三，设置边界条件。在模型的入口处选用velocity-inlet边界类型，在排气口处选用outflow边界类型，壁面处选用wall边界类型。2.2数值求解在数

6、值求解过程中，采用数值迭代求解方法进行数值求解，在求解的同时还应参考旋风分离器实际流体环境特征，以及内部投放物料的属性等。在数值求解时应按照以下要求进行：(1)旋风分离器内部流体环境，具有三维强旋转湍流的特点，同时体现出各向异性，需要采用雷诺应力湍流模型，使模拟的环境更加贴近旋风分离器的内部环境。在旋风分离器的内部环境中，主要以气、固两相流场状态为主，还应配合使用耦合随机轨道模型进行数值计算；(2)模型内流体环境运行所需条件，将入口气流速度设定为每秒20米，并与接口截面保持垂直关系；(3)气相流体环境中，需要注入常温下状态的空气。在固相环境中，使用滑石粉作为颗粒，要求颗粒的孔径为45um，滑石

7、粉密度为2750kg/m3。若固相环境中颗粒按照Rosin-Ramm-ler形态分布，需要选取颗粒直径的中间值，作为颗粒在固相空间内的比例含量；(4)在求解数值过程中，若流体环境中的压力和速度成正比关系，可以采用非交错网格SIMPLEC算法进行计算，同时配合使用QUICK格式或者PRESTO压力插补格式，可以提高数值求解的准确率。在求解数值时，应按照三维数值模型的方法模拟旋风分离器内部气相流场，基于内部气相流场，采用拉格朗日坐标系方法分析颗粒在固相流场内的运动状态，以便计算出精准的模拟数值。2.3结果分析与讨论在旋风分离器内部，流体环境无法处于稳定的状态，采用传统的实验方法无法掌握流体环境的状

8、态，采用数值模拟方法，在掌握每个位置的信息的同时，还能模拟出不同区域的物理状态。2.3.1速度场分布在旋风分离器内部形成圆柱分离段，获取分离段截面的速度矢量图，通过截面投影可以判断平面内速度分量的变化。在分离器内部流体呈现旋转状态，而外部流体方向与截面内方向相同，证明在分离器的内部和外部，形成的相同方向的旋转状态。在旋风分离器中心轴线位置，通过分析纵截面的速度变化，包括切向速度、轴向速度等，都与分离器内强旋流速度相同。此外在分界面的流场内部，最大切向速度形成的分界面，是以圆柱面形式出现，在原柱面内、外形成合涡结构。在出流体的外部，部分区域流向朝下，在内部区域流向朝上，在轴向速度为零的临界点，会

9、形成零轴速度包络面，在包络面内速度矢量方向的变化，会使分界面发生变化。2.3.2压强分布对旋风分离器的中心轴线压强分布情况进行分析，在中心轴线的纵截面上，流体环境内的静压强、动压强以及总压强，会形成具有对称性特征的分布云图。在云图内参照数据标志条，有助于直观的掌握不同区域的压强分布状态。通过掌握不同区域的压强分布状态，可以了解压强变化幅度以及能量损失情况。压强速度云图包括切向速度云图以及轴向速度云图，压强分布云图包括静压分布云图、动压分布云图以及总压分布云图。2.3.3颗粒轨迹的追踪追踪流体环境中的颗粒轨迹，在模拟的环境中分析颗粒的运动状态，有助于掌握旋风分离器运行情况，通过掌握运行情况，可以

10、了解旋风分离器气相和固相出现分离的机理。两种直径颗粒在旋风分离器内部运行时，1.5um和3.9um直径颗粒运动轨迹存在较大的差异性，通过三个不同位置入射到分离器内，在左上角、中间以及右下角，根据运动轨迹的变化，证明不同粒径的颗粒运动呈现随机性特点，改变入射角度会使颗粒的运动轨迹发生较大的变化，而且1.5um粒径受到湍动的作用后，会形成随机的运动轨迹。在数值模拟期间，颗粒轨迹出现上灰环、短路流以及二次返混等情况，导致旋风分离器内部无法正常的进行气相和固相分离。3结语综上所述，在化工机械设计中，本文以旋风分离器为例应用CFD技术，通过模拟分离器内部的流体环境，可以直观的分析速度、压强、浓度以及温度等在流体环境中的状态，以便获取精准的数值，从而优化和完善旋风分离器，提高旋风分离器的化工生产能力。借助CFD技术模拟分离器的内部环境，使获得的数值更加准确，有效提高设计的真实性和稳定性，为化工机械设计奠定坚实的基础。参考文献：1李志川,肖钢,张理,等.CFD