計算流體力學在化學工程中應用

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摘要：化工行業(yè)的發(fā)展需要先進理論支撐，其中，計算流體動力學是基于各種計算方程的一種動力學計算方法。它可以計算許多化學反應設備中的動量、質(zhì)量和能量。該理論最早用于化學工程領域，主要用于流體流動的研究。在當前的化學領域，計算流體力學已經(jīng)成為一門獨立的學科。它可以有效地解決很多領域的化學問題，對推動化學技術的發(fā)展和解決化學工程問題起到了很好的作用。

關鍵詞：計算流體力學；應用研究；化學工程

化學工程以化學工業(yè)為研究對象，還包括其他領域生產(chǎn)中涉及的化學和物理過程的一般規(guī)律，如石油精煉和塑料合成等典型化學生產(chǎn)，還包括納米技術和生物工程等現(xiàn)代化學領域。在技術帶動下，化學工程為人類社會的發(fā)展起到的促進作用正在逐漸加深，尤其是在時代不斷進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計算流體力學概述

1.1概念分析

在計算機的出現(xiàn)和迅速普及的過程中，計算機、流體力學和數(shù)學之間出現(xiàn)了一門多學科的學科，即計算流體力學。計算流體力學（CFD）是20世紀興起的一門交叉學科。這門理論起源于飛機制造領域，在分析過程中通過迭加的方式模擬具體的問題，模擬流體結(jié)構(gòu)并求解。計算流體力學主要是計算流體力學控制方程的數(shù)值，然后可以得到流場的離散定量描述結(jié)果。計算流體力學的相關研究主要采用數(shù)值方法和計算機求解流體力學的控制方程，然后對流體力學問題進行模擬和分析。計算流體力學的主要方法有有限差分法、質(zhì)點法、間斷有限元法等，一般是用在計算簡單外形的高精度工程之上。

1.2計算流體力學的發(fā)展分析

計算流體力學與其他學科相同，都是建立在理論與實驗的基礎上，在該學科出現(xiàn)之前實際上就已經(jīng)存在理論與實踐兩大流體力學。在計算流體力學出現(xiàn)以后，這些問題都得到了有效解決，所以可以將其看成是傳統(tǒng)流體力學的一種補充?？v觀計算流體力學的發(fā)展，實際上在19世紀末期就有學者提出了采用數(shù)值方法來解決流體力學問題，不過在當時計算機技術還沒有出現(xiàn)，再加上當時人們所使用的各種計算工具還非常落后，所以該思想還停留在理論層面，直到計算機技術出現(xiàn)之前還沒有得到有效印證，尤其是不適合用于解決當時比較復雜的流體力學問題[1]。自1946年計算機出現(xiàn)以后，該思路才得到了充分認證，電子計算機出現(xiàn)為這一思想創(chuàng)造了良好契機，集合了數(shù)值方法與計算機的模擬與計算，為在諸多復雜性的問題提供了全新的解決思路與方法。此后，在流體力學領域計算機持續(xù)發(fā)揮著重要的作用，在后續(xù)發(fā)展過程中相繼出現(xiàn)了一大批研究論著，到目前計算機流體力學已經(jīng)在許多領域中都發(fā)揮出了良好的應用效果。

2化學工程中計算流體力學的基本原理分析

計算流體力學主要通過數(shù)值計算，實現(xiàn)對化工幾何空間中質(zhì)量、熱量和動量等計算，利用控制方程來研究化工中不同流體的流動規(guī)律和現(xiàn)象。通常來說，計算流體學的數(shù)值計算方法有很多，比如包括數(shù)值有限元法、數(shù)值差分法等都是比較常見的。對于計算流體力學的真實模擬是關鍵步驟，該過程主要是為了預測流體的流動，并且建立在這種方式之上，落實好流體流動的相關信息獲取，通過這種方式可以有效對化學工程中的流體流動進行控制。在科技不斷進步的過程中，市面上也相繼出現(xiàn)了多種計算流體力學軟件，這些軟件的出現(xiàn)為工程師對流體進行準確計算提供了豐富的指導意見。

3計算流體力學在化學工程中的應用策略

3.1在攪拌中的應用

在化工中，攪拌是一種常見的化學反應，主要用于反應介質(zhì)之間的流動性。然而化工攪拌是一個復雜的過程，采用傳統(tǒng)的計算方法無法有效地解決許多問題。同時，在攪拌化學試劑的過程中，往往會出現(xiàn)攪拌不均勻的現(xiàn)象，同時，在湍流狀態(tài)下，能量分布也可能不均勻。這進一步表明，如果仍采用傳統(tǒng)的實驗方法進行分析和檢測，最終的結(jié)果必然會有很大的局限性，結(jié)果的準確性無法保證。利用計算流體力學可以有效地檢驗模擬過程中流體的形態(tài)，同時可以進一步驗證能量、質(zhì)量等數(shù)據(jù)。需要注意的是，流體的變化可能會受到容器形狀、時間等因素影響，所以可以通過構(gòu)建三維空間模型的方式進行，這也是未來科學發(fā)展的主要趨勢之一。在時代不斷進步的過程中，科技研發(fā)水平不斷提升，出現(xiàn)了不少有助于三維計算形式的設備、儀器，如多普勒激光測速儀，在提高化工原料應用有效性方法發(fā)揮出了良好的效果，不過我們當前還應當認識到計算流體力學仍然存在許多不足的地方，在未來還需要不斷對其進行改進。

3.2在熱換器中的應用

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

3.3在精餾塔中的應用

在計算流體力學不斷發(fā)展過程中，它的應用范圍也越來越廣泛，目前在對精餾塔內(nèi)氣體、液體兩相流動和傳質(zhì)的研究中，已成為一種重要的計算工具，其可以通過數(shù)據(jù)模擬方式，準確將精餾塔內(nèi)兩相的流動狀況計算出來。當前針對兩相流體力學一般是采用經(jīng)驗關聯(lián)式計算，針對氣液兩相流動的傳質(zhì)與傳熱，主要借助已有數(shù)據(jù)進行推測設計，在這樣的情況下容易導致設計依據(jù)不充分，設計過程中存在許多不確定因素，很容易導致設計失敗，嚴重可能會引發(fā)安全事故。國內(nèi)有學者采用連續(xù)性方程以及N2S方程，利用較為簡化的邊界條件對填料塔中的氣液兩相流動進行模擬，在對速度分布進行求解的同時，與傳質(zhì)、傳熱方程聯(lián)解求出濃度、濕度以及溫度分布[3]。在流體力學以及傳熱、傳質(zhì)過程中，通過這種方式能夠更加精準地將塔徑計算出來。不過針對傳質(zhì)與傳熱過程，計算流體力學應用與實施工業(yè)應用仍然還有不小的差距，所以在未來還應當加強對其的研究。

3.4在化學反應工程中的應用

在化學反應工程中，影響產(chǎn)品和反應物化學反應速率的因素有很多，這些因素如壓力、溫度、設備等對化學反應的影響也是不同的，在實際的計算過程中，如果利用計算流體力學，在一定程度上能保障化學反應工程的有序進行。整體上，該方法可保障有效地獲取實際反應中產(chǎn)生的相關數(shù)據(jù)和信息，保持反應的穩(wěn)定性。當反應溫度過高時，分子運動會非常劇烈，在這種情況下，整體的測試結(jié)果會產(chǎn)生一定的偏差，而只有通過正常的變化規(guī)律和運動軌跡將受到嚴重影響。由于模型中存在的數(shù)據(jù)只能夠?qū)φ顟B(tài)進行反應，在溫度過高的情況下所得出的結(jié)果與實際情況會存在很大差距[4]。經(jīng)過對比分析，可采用有限元法計算相關數(shù)據(jù)。在使用CFD軟件的過程中，通過有效的計算和工程反應器皿改良，可以預測反應器的壓力、溫度和速度。在這樣的情況下化學反應工程中的聚合過程將變得更加清晰，以便能夠更加直觀地了解到反應過程，保障前期獲取、計算數(shù)據(jù)等過程的有序進行，幫助實現(xiàn)化學反應中的相關參數(shù)的優(yōu)化處理，提升反應工程效能。

3.5在流體噴射分布中的應用

以往在對噴射進行研究的過程中，主要是利用實驗的過程來對噴嘴噴射的系數(shù)進行測量，一些文獻中也對噴嘴的分散效果進行了研究，但是因為研究者對于噴嘴結(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，在研究的過程中，主要是對噴嘴出口流動的測量來分析噴射器，并未對噴嘴內(nèi)部濃度和流場的信息進行收集，這種研究方法僅僅能夠從宏觀角度上對噴嘴性能進行判定，無法將所獲得的信息用來對噴嘴進行優(yōu)化設計。近些年來隨著噴嘴設計要求提升，對于其內(nèi)部流場信息的獲取非常必要，那么在噴嘴設計中應用計算流體力學，通過計算流體力學來對噴嘴的流道進行模擬，從而對其中的流場分布進行掌握，實現(xiàn)對整個結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，同時也降低了噴嘴中存在的阻力，進一步提升噴射效率。另外，通過計算流體力學能夠?qū)θ細鈬娮爝M出口進行模擬，對流量系數(shù)進行改進，對比實驗數(shù)據(jù)來進行優(yōu)化設計后，使得最終的結(jié)果能夠更加的接近實際數(shù)據(jù)。

3.6在膜分離過程中的應用

通過對計算流體力學的應用，能夠?qū)崿F(xiàn)濃度場和流場的可視化，將其應用到膜過程中，將操作參數(shù)有效的篩選出來，例如操作溫度和錯流速率等。膜過程傳質(zhì)優(yōu)化主要是通過提升傳質(zhì)系統(tǒng)來把控膜污染和濃差極化。首先是脈動流，在二維格網(wǎng)填充流道應用計算流體力學，對抗污染的機理及力學規(guī)律進行模擬，通過研究發(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，滑移動速度的變化能夠增強膜表面剪應力，對渦流進行引導，從而對邊界層進行帶動，有效的抑制膜污染。這種增強傳質(zhì)效應與震蕩頻率之間沒有表現(xiàn)出正比例關系，達到共振頻率最佳的傳質(zhì)增強效應。其次是兩相流，通過研究發(fā)現(xiàn)，兩相流能夠形成膜表面的湍流，在多種膜組件中對于兩相流的應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，應用兩相流，并通過計算流體力學來對力學性質(zhì)進行模擬，所獲得的結(jié)果與實驗過程所獲得的數(shù)據(jù)相互符合，從而增強剪切效率，對表面污染沉積進行有效控制。

3.7薄膜蒸發(fā)器的應用

通過對計算流體力學的應用，讓薄膜蒸發(fā)器中的場分布能夠?qū)崿F(xiàn)準確的預測，讓薄膜蒸發(fā)器中的液膜流動和傳質(zhì)機理獲得了更加深入的研究。通過有限差分法來對蒸發(fā)裝置中的流體流動進行模擬，從而獲得落體速度分布，通過計算能夠看到，薄膜蒸發(fā)裝置中的渦旋流動液體達到了總體的70%，通過利用多板刮板的方式能夠進一步推動渦旋和液膜之間的物質(zhì)交換，從而進一步提升整體的蒸發(fā)率，但工藝參數(shù)對流場產(chǎn)生的影響并未進行進一步的分析。通過分析軟件來對薄膜蒸發(fā)裝置中的流體流動進行模擬，其結(jié)果與計算結(jié)果相同，說明了計算流體力學在薄膜蒸發(fā)器中應用的可行性。在此研究基礎上，根據(jù)料液測量的停留情況來對不同的料液采用相應的計算法，通過對薄膜蒸發(fā)裝置中料液流動特點進行進一步的研究，對刮板轉(zhuǎn)速進行深入的探討，同時也包括料液粘度對流場所形成的影響。但在薄膜蒸發(fā)裝置中，整個蒸發(fā)的過程較為復雜，基于計算流體力學的薄膜蒸發(fā)裝置特性研究仍然十分少見。

3.8燃燒反應裝置的應用

在燃燒系統(tǒng)中，對于計算流體力學的應用也十分廣泛，通過計算流體力學能夠?qū)θ紵械臓顟B(tài)參數(shù)進行有效的模擬，從而加強對燃燒過程的理解，實現(xiàn)燃燒反應裝置的優(yōu)化，從而對污染排放進行有效的控制。

3.9生化反應裝置的應用

在生化反應裝置的模擬研究中，計算流體力學同樣也是十分重要的研究手段，主要包括了氣升式環(huán)流反應裝置和攪拌式生化反應裝置，通過對計算流體力學的應用能夠?qū)Ψ磻b置中的溫度場、濃度場和速度場等信息進行獲取，這對于研究生化反應裝置中的優(yōu)化、設計、混合傳質(zhì)有著重要的意義。

4結(jié)語

綜上所述，流體在化學工程中是十分常見的一類物質(zhì)，計算流體力學的方式進行模擬和分析是一種非常實用的辦法，因此計算流體力學在化學工程中得到了廣泛應用。不過該學科的發(fā)展時間尚短，相關技術還需要進一步得到完善，因此我國還應當加強研究，力求其能夠在化工行業(yè)中更多領域發(fā)揮重要的作用。

參考文獻：

[1]唐輝，伍津津.計算流體力學在組織工程中的應用進展[J].中國修復重建外科雜志，2021,35(06):776-780.

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[3]王偉.計算流體力學在化學工程中的應用[J].黑龍江科技信息，2016(08):88.

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作者:李雪 單位:吉林省石油化工設計研究院