过程工程中的数值模拟20162

1、过程工程中的数值模拟（二）,潘艳秋 2016.04.10,过程工程中的数值模拟,计算流体力学的未来,计算流体力学的应用,计算流体力学商业软件简介,计算流体力学基础,数值模拟技术简介,1,2,3,4,2,计算流体力学在化工中的应用,5,6,3,4.计算流体力学的应用,CFD应用范围广泛。所有涉及流体流动、换热、分子输送等现象的问题，基本都可通过CFD进行模拟和分析。 应用领域：水利工程、土木工程、航空航天工程、船舶和海洋结构工程、石油化工、建筑设计、环境工程、食品工程、工业制造、生物医学以及交通运输等领域 。,4,4.计算流体力学的应用,4.1 在建筑学上的应用,案例1：瑞士再保险公司总部大楼(

2、伦敦),外形独特，“小黄瓜”，“宇宙飞船”、“穿网眼丝袜的雪茄”、“腌黄瓜”（Gherkin），总建筑面积7.64万m2 ，高179.8m 2004年完全投入使用。 最吸引人的地方，不是名字和外观，而是它较同样的建筑节能一半以上：伦敦第一幢具有环境进步意义(Environmental Progressive)的高层建筑。,5,4.计算流体力学的应用,利用CFD技术，计算一定水平风量条件下，建筑物表面的压力分布状况、建筑物室外的气流状况，图示方法直观描述。,模拟设计方案的室内自然通风状况，帮助设计人员确定位于每层采光井周边的通风口的位置。,设计是否合理？ 如何获得最佳的自然通风效果。,6,4.计

3、算流体力学的应用,为了保持博物馆所在的河岸公园的完整性，同时也是为了呼应基地附近的阿肯色河上的6座桥梁，该博物馆的主体部分被设计成架空于地面之上的“桥”的形式。,案例2：克林顿博物馆,7,CFD模拟室内温度场。 模拟结果：参观者头顶上方的空调出风气流可以通过各个狭小的通道，并且沿着展墙上升，顺利回到各个回风口，带走展品释放的热量。,4.计算流体力学的应用,主要的空调送风和回风口及室内热源的位置,Fluent模拟的室内气温状况,8,4.2 在医学上的应用,4.计算流体力学的应用,模拟脑脊液流体的动力学及其与大脑组织间的复杂的相互作用-研究中枢神经系统异常的病因、寻找可行的潜在补救措施。 右图：一

4、个心跳周期的整个颅- 脊髓系统中脑脊液流速和压力场的变化。,案例1：脑脊液流动模拟研究,9,利用ADINA软件模拟脑脊液及其与脑组织的相互作用，通过求解Navier-Stokes方程和Darcy流方程，并与固态脑组织的运动方程耦合，对脑脊液整个颅脊系统的速度和压力场进行计算。,案例2：脑积水的研究,4.计算流体力学的应用,10,。,4.计算流体力学的应用,比较正常（左图）、脑积水（右图）之间的脑脊液流动模式。 结果：脑积水引起的最大速度的位置和大小变化,11,4.计算流体力学的应用,4.3 在汽车工业的应用,通过对汽车车身的流场计算，得到车身表面的压力场、速度场、气动力和气动力矩，继而得出风阻

5、系数等一系列设计参数，通过分析流场可以对流动过程和流场分布成因有更细致的了解；与实验对比， 通过修改车身几何参数， 达到优化设计的目的。,案例1：汽车外形设计优化,某车车身外部流场图,12,可通过预混或者非预混模型，模拟进气和排气过程。对于如何减小进排气阻力、增大充气效率、设计气门阀升程和锥度、进排气支管形状等有重要意义。,案例2：发动机的设计优化,4.计算流体力学的应用,利用燃烧模型，对气缸内混合气体的燃烧过程进行动态模拟，对提高燃烧效率、探索爆震和表面点火成因及研究相应对策有很重要的指导意义。,气缸进气流线图,13,案例3：复数车辆的行驶状况模拟,4.计算流体力学的应用,复数车辆的行驶：会

6、车、超车及队列行驶3 种 气动特性是一个瞬态过程，目前国外也只是进行了初步定性的分析，但是这也是一个重要的研究方向，对于研究该状态下的操纵稳定性有 重要的作用。 右图：1 辆小轿车超车 时的静压分布图。,帮助研究人员发现可能产生的操作稳定性问题，为改善设计提供参考数据，有助于提高车辆行驶安全。,14,4.计算流体力学的应用,水轮机、风机和泵等流体机械内部的流体流动 飞机和航天飞机等飞行器的设计 洪水波及河口潮流计算 温室及室内的空气流动及环境分析 电子元器件的冷却 换热器性能分析及换热器片形状的选取 河流中污染物的扩散 汽车尾气对街道环境的污染 ,此外，计算流体力学如今还可用于许多生活领域。,

7、过程工程中的数值模拟,计算流体力学的未来,计算流体力学的应用,计算流体力学商业软件简介,计算流体力学基础知识,数值模拟技术简介,1,2,3,4,15,计算流体力学在化工中的应用,5,6,16,5.计算流体力学在化工中的应用,化学工程技术被误认为“夕阳”产业 化学工程技术相对粗糙（与机械制造和电子信息等技术的精密性和日新月异的发展比）。 新技术的开发周期漫长、费用高昂、优化困难。（在实验室中发展的技术大多要经过小试、中试等逐级放大才能实现经济规模的生产）,对过程的控制缺少有效的模型和反馈机制，运行难以稳定和优化。（设计中的不确定性、机理性认识的缺乏）,5.1 应用背景,17,5.计算流体力学在化

8、工中的应用,计算流体力学应用于化工中的必然： 国际上，传统的大宗产品的产值份额不断降低，许多跨国公司的发展重点已转向精细化学品，医药、生物和纳米产品等高技术、高附加值产品。 在学术研究领域，化学工程也在向微观和宏观进行拓展。,18,化学化工学科与产业链条： 涵盖从分子、纳微、单元(颗粒、液滴、气泡)、聚团、设备、工厂、直至生态过程等不同尺度与层次 每个环节紧密联系，纯粹依靠理论分析或实验的经验积累进行研究和开发已越来越困难。 前期实验的积累和计算机 技术的迅速发展；数学建模 与计算机模拟日渐成为研究热点。,5.计算流体力学在化工中的应用,19,5.计算流体力学在化工中的应用,另一方面，流体广泛

9、存在于化学工程这个领域的各个地方。 流体力学从狭义上讲是处理流体的动量输运问题的，但实际上绝大多数化工过程都是在流体的主导或参与下进行的，而“三传一反”也往往是紧密耦合的，并且一般是在流体力学的框架下联合求解的。 流体力学是化工技术的最重要基石之一。而计算流体力学在化工过程的计算机模拟中也占有核心地位，并且其作用也与日俱增。,20,5.计算流体力学在化工中的应用,5.2 CFD在化工过程中的应用简介,化学工程中，计算流体力学应用的具体设备与过程较多。,固定床流动和传热研究 提供精确的局部流动和传递信息。如速度分布、压力分布、温度分布、组分浓度分布等，而传统的研究方法一般只能提供上述参数的平均值

10、。 使固定床流动和传热研究进入到一个崭新的时代，也为更高性能的固定床反应器的设计和开发带来新的希望。,（1）搅拌床和移动床等涉及的单相湍流和多孔介质流,21,固定床内的流道几何形状极端复杂。两类应用CFD的研究：,5.计算流体力学在化工中的应用,把固定床视为一种等效的多孔介质或者采用拟均相假设, 发生在床层中的化学反应被处理成守恒方程的源项。,1,2,直接求解床层内复杂流道内的流动和传递控制方程。,随着CFD技术的发展和成熟，近年来多采用直接模拟固定床流动和传热情形。,22,5.计算流体力学在化工中的应用,图：Guardo等，CFD固定床反应器内的颗粒-流体的对流传热模拟研究。非结构化网格。,

11、考察了密度梯度、流动方向、速度对传热的影响。 结论：,反向的密度梯度会引起水力学不稳定性并因此产生轴向弥散和传热速率的降低。 向上流动时可以获得较大传热速率； 流动速度本身会直接影响强制对流的传热速率, 流速越大越强化传热。,23,5.计算流体力学在化工中的应用,评价：固定床的CFD模拟也有其局限性。多局限于较少的填充颗粒数目（一般不超过100颗）和比较规则的填充方式（仅Guardo等采用介于规则填充和随机填充之间的填充方式），这与工程中的真实的固定床的研究和开发需要还有一定的距离。主要的两大方面障碍：,24,5.计算流体力学在化工中的应用,（ 2）涉及颗粒流体的系统,流化床、颗粒输运、旋风分

12、离器、颗粒沉降等 旋风分离器：含杂质气体沿轴的切向进入旋风分离器后，气流受导向叶片的导流作用而产生强烈旋转，密度大的液滴和尘粒在离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风管排尘 口至设备底部。旋转的气流在筒体内 收缩向中心流动，向上形成二次涡流 经导气管流出，从而实现分离的目的。,25,5.计算流体力学在化工中的应用,模拟结果： 旋风分离器内的旋流速度及速度矢量图， 不同粒径颗粒的运动轨迹可进一步研究颗粒分离程度。,CFD模拟某粒径颗粒在旋风分离器内运动轨迹图示,26,5.计算流体力学在化工中的应用,例：乙烯裂解炉内的燃烧。 乙烯裂解炉：乙烯装置的关键设备之一，炉内的

13、燃烧情况决定着裂解炉的运行情况。 炉内的燃烧是一个复杂的物理化学过程, 影响因素很多，如炉膛的几何尺寸、炉管的布置结构、燃烧器的结构形式、燃烧器的布置位置、燃料的组成、燃料的流量和压力等。 CFD数值模拟技术是目前设计燃烧器或评价燃烧器优劣的最先进的手段。,（ 3）化学反应的模拟（如燃烧器、反应器等）,27,5.计算流体力学在化工中的应用,对燃烧器进行CFD数值模拟的优势：,进行多方案比较。设计方案之间的区别可以通过修改几何模型和调整网格实现，这就保证了方案之间的比较可以快速高效地进行。 详细地了解炉膛内的燃烧情况。通过CFD软件的后处理功能, 炉膛内的火焰形状、流场、温度和压力的分布场等都可

14、通过建立等值面、云图等手段直观地表达。 经济性。对燃烧器的CFD数值模拟 完全在计算机上进行，相比于传统的 试验方法可以大大降低研发费用。,液体燃烧系统,28,5.计算流体力学在化工中的应用,右图：由2个底部燃烧器和4个侧壁燃烧器联合供热的燃烧器的温度分布图。 温度最高的区域：出现在底部燃烧器燃烧火焰的外围区域，随着高度的增加温度有所降低； 炉膛上部由侧壁燃烧器补充热量，使炉膛内靠近燃烧器的一边形成高温区域，与炉管面相邻区域温度略低。,29,5.计算流体力学在化工中的应用,（4）在膜技术及膜生物反应器研究中的应用,CFD在膜技术领域的运用，比较早的是有关膜组件研究的水力学模型和其中流场运动情况

15、的探索。 1994年，Belfort总结了当时膜过滤中流体运动机理研究及进展，总结了各种数学模型的建立。 将CFD用于膜分离工艺研究的报道最近才逐渐多起来。 随着流体力学模型的不断完善，CFD在膜技术领域中的运用越来越多，主要运用在膜污染机理的研究、膜组件及反应器的设计优化、水力条件的模拟。,30,5.计算流体力学在化工中的应用,CFD在膜技术领域研究中应用的优势：,31,案例1：在膜分离技术研究中的应用 CFD在膜蒸馏过程的应用研究,膜蒸馏：采用疏水微孔膜并以膜两侧蒸气分压差作为传质推动力的分离过程。 与传统分离技术相比，具有截留率高、成本低、操作温度和操作压力低、占地小等优点，被公认为一种

16、非常有前途的分离技术。,膜蒸馏原理图,5.计算流体力学在化工中的应用,1.膜组件 2.压力表 3.温度计 4.转子流量计 5.量筒 6.料液输送泵 7.冷却水输送泵 8.料液储槽 9.冷却水储槽 10.调节阀 图1 实验流程图,5.计算流体力学在化工中的应用,33,研究意义：,通过CFD软件对膜蒸馏过程的模拟研究,5.计算流体力学在化工中的应用,图1 管式膜蒸馏三维网格局部示意图,（1）划分网格,利用GAMBIT软件对膜蒸馏的三维模型进行网格划分，得到297513个网格，得到Hex/Wedge即六面体/楔形网格；,34,5.计算流体力学在化工中的应用,图2 距入口不同距离处膜管内的速度等值线图

17、,（2）模拟结果,随着距入口距离的增加，流动边界层逐渐形成并发展，距入口处越远流动边界层越厚、中心速度越大，这与标准的管内速度分布规律一致。,35,5.计算流体力学在化工中的应用,图3：膜蒸馏过程的温度分布等值线图(料液区域和膜区域)。 结果：流体区域温度降幅很小，温降主要集中在膜内。,36,5.计算流体力学在化工中的应用,图4：流量对温度的影响,5.计算流体力学在化工中的应用,图7 不同入口距离处膜管内的温度分布,图9 膜管内的剪应力分布,内侧膜面处的剪应力分布图：在入口段（0-20mm）边界层很薄，形成较大的速度梯度，剪应力的变化也较大；随着边界层的逐渐发展（20-40mm），速度分布趋缓

18、，速度梯度逐渐变小，剪应力也随之变小；进入充分发展区域（40-100mm），由于速度分布趋于稳定，与z值无关，因而剪应力保持恒定不变。,5.计算流体力学在化工中的应用,39,案例2： CFD在合成气制甲醇中的应用研究,固定床管式甲醇合成反应器物理模型,划分网格,煤制合成气制甲醇,（1）,（2）,加密：壁面附近,5.计算流体力学在化工中的应用,反应速率云图,反应温度云图,原料气刚接触催化剂床层时，a和b反应速率均最大。沿反应器轴向， a反应速率减小-增大-到0；b反应速率,在催化剂区，反应管轴向温度逐渐升高，距催化剂入口约40mm处温度达最大值并保持不变。,5.计算流体力学在化工中的应用,主要组

19、分浓度分布,还可得到的结果：关于温度、压力、速度、浓度分布的线图,5.计算流体力学在化工中的应用,0.3微米微通道网格划分图示,建立2维物理模型 对应网格,案例3： CFD在微通道换热研究中的应用,5.计算流体力学在化工中的应用,Re=5000，中心速度沿流向分布图,入口段,冷却段,出口段,5.计算流体力学在化工中的应用,图22 模拟得到的Cf-Re图,转捩发生：Re=2400-2800之间 与经典理论、实验结果基本相符。,Re=10020000模拟得到的Cf-Re图,5.计算流体力学在化工中的应用,整体温度分布,固体温度分布,液体温度分布,5.计算流体力学在化工中的应用,46,今后计算流体力

20、学在化学工程领域的主要研究方向： 利用CFD技术解决具体生产过程中的工程实际问题，创建高效、清洁的生产工艺和设备。 CFD技术与化工工艺计算模拟软件（如Pro、Hysys或Aspen等）的有效结合，使整个过程更具高效性。 塔板上流体流场模拟与塔板效率计算的有效结合，这一领域的研究今后将加大力度，在不久将来会有所突破。 CFD技术与新设备、新工艺的开发相结合，创新工艺设备 解决实验室成果向产业化过度的瓶颈问题。,5.计算流体力学在化工中的应用,47,5.计算流体力学在化工中的应用,CFD在膜技术领域研究中存在的问题：,48,5.计算流体力学在化工中的应用,如高效的微换热器的开发Tuckerman

21、，1988， 微流体控制(microfluidics) Groisma，2003， 微型硝化反应 氢气催化燃烧系统Cao，2005 为新兴的微流动研究 提供了令人激动的广 阔前景。,（5）CFD在微机械及微化工系统应用,（6）CFD在高分子复杂流体的流变学和流体力学模拟中的应用,5.计算流体力学在化工中的应用,高分子复杂流体的流变学和流体力学模拟： 流动减阻Alben，2002；Denn，2004 微生物的运动、细胞内的物质输运现象等 Pozrikidis，2003；Solem，2002、 生物反应器的设计Dhanasekharan，2005、 药物释控技术Vuorio，2003等。,（7）用FLUENT 软件模拟文丘里管水力空化现象,过程工程中的数值模拟,计算流体力学的未来,计算流体力学的应用,计算流体力学商业