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，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，模擬流體結構并求解。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。縱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，最終的結果必然會有很大的局限性，結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、質量等數(shù)據。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生反應的時候，能夠對溫度所發(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，同時還能夠結合化工生產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，目前在對精餾塔內氣體、液體兩相流動和傳質的研究中，已成為一種重要的計算工具，其可以通過數(shù)據模擬方式，準確將精餾塔內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驗關聯(lián)式計算，針對氣液兩相流動的傳質與傳熱，主要借助已有數(shù)據進行推測設計，在這樣的情況下容易導致設計依據不充分，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、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生的相關數(shù)據和信息，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，整體的測試結果會產生一定的偏差，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)據只能夠對正常狀態(tài)進行反應，在溫度過高的情況下所得出的結果與實際情況會存在很大差距[4]。經過對比分析，可采用有限元法計算相關數(shù)據。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構尺寸的選擇有所不同，所以他們所獲得的結果有著一定的差異。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)對整個結構的優(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對燃氣噴嘴進出口進行模擬，對流量系數(shù)進行改進，對比實驗數(shù)據來進行優(yōu)化設計后，使得最終的結果能夠更加的接近實際數(shù)據。

3.6在膜分離過程中的應用

通過對計算流體力學的應用，能夠實現(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。膜過程傳質優(yōu)化主要是通過提升傳質系統(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)，隔網填充流道電滲流有著十分明顯的傳質增強效果，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進行模擬，所獲得的結果與實驗過程所獲得的數(shù)據相互符合，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)器中的場分布能夠實現(xiàn)準確的預測，讓薄膜蒸發(fā)器中的液膜流動和傳質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，其結果與計算結果相同，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對燃燒中的狀態(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對反應裝置中的溫度場、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、混合傳質有著重要的意義。

4結語

綜上所述，流體在化學工程中是十分常見的一類物質，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.

[2]王強.計算流體力學在化學工程中的應用研究[J].清洗世界，2020,36(11):28-29.

[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.

[4]許超眾，王嘉駿，馮連芳，等.計算流體力學在化學反應器模擬中的應用進展[J].計算機與應用化學，2015,32(06):641-645.

作者:李雪 單位:吉林省石油化工設計研究院