CFD技術在化工機械設計中的應用

王軍（浙江省天正設計工程有限公司，浙江杭州310012）

0 引言

在社會和經濟發展過程中，科學技術發展速度不斷加快，在化工機械設計中積極應用CFD技術，不僅使化工機械規模不斷擴大、功能不斷增加，還能設計出不同種類的化工設備，滿足化工企業的生產需求。由于化工生產具有一定的特殊性，多數生產需要在密閉的環境中進行，提高化工機械的密閉性，使化工生產處于安全穩定的環境，需要先進的機械設計技術，而CFD技術滿足化工機械設備的設計需求。

1 計算機流體力學簡介

CFD 技術全稱為計算機流體動力學，是計算機技術、數理方法以及流體力學共同形成的新型技術。作為計算機輔助工程重要的組成部分，在流體力學領域廣泛應用CFD 技術，通過CFD技術模擬機械設備內部形成的流體環境，以便分析流體力學對機械設備產生的影響，針對不利于因素進行深入的研究，從而降低不利因素對機械設備內部造成的破壞。使用計算機模擬機械設備內部流體環境時，根據流體環境的變化，可以選用多樣化的計算機軟件，如FLOTEAN、FLUENT以及CFX等。

在模擬機械設備內部環境過程中，通過CFD技術計算模擬環境中產生的未知量，采用流體計算方法進行迭代計算，完成計算后會直觀的呈現出模型中流體環境的狀態，有助于用戶掌握機械設備內部真實的環境。

現階段CFD技術應用在化工機械設計中，由于缺少計算流體環境的軟件，需要掌握機械設備內部處理物料的過程產生的參數，包括速度、壓強、濃度以及溫度等，以便快速分析機械設備內部的環境，在應用CFD技術時模擬出機械設備內部產生的變化，包括氣態轉為固態、液態轉為固態以及氣態轉為液態等，可以使設計內容滿足機械設備的生產需求，并且還能優化和完善化工機械設備。

2 CFD技術在化工機械設計中的應用

CFD技術在化工機械設計中的應用過程中，使用CFD技術設計旋風分離器，旋風分離器在石油、礦山等領域應用較為廣泛，在現代化工生產過程中，使用旋風分離器進行分離、除塵等一系列的化工生產，有效提高化工生產效率。但是旋風分離器在進行化工生產時，由于機械內部會形成多相流環境，每個環節的生產都會受到多相流環境的影響，導致氣力輸送、流態化等過程出現不同的問題。為有效解決旋風分離器化工生產出現的問題，應用CFD 技術模擬旋風分離器內部產生的流體環境，通過模擬獲得氣態、固態等狀態下的數值，以便優化和完善旋風分離器機械設計，提高旋風分離器的生產能力。

2.1 建立模型

建立旋風分離器模型，需要按照以下流程進行：第一，為旋風分離器建立幾何模型，在建立模型時，采用Stairmand 軟件建立高效型旋風分離器模型，模型的幾何參數依次設定為a=95mm、b=38mm 以及S=95mm；第二，對建立的模型進行網格劃分。網格種類包括四面體網格、楔形網格以及六面體網格等，根據化工機械內部流體環境的特征，需要選用合適的網格。隨后進行網格劃分，網格劃分時采用分塊網格技術，在模型中劃分出5個子區域，每個區域具有幾何形狀特征，以便符合模型計算要求；第三，設置邊界條件。在模型的入口處選用velocity-in?let 邊界類型，在排氣口處選用outflow 邊界類型，壁面處選用wall邊界類型。

2.2 數值求解

在數值求解過程中，采用數值迭代求解方法進行數值求解，在求解的同時還應參考旋風分離器實際流體環境特征，以及內部投放物料的屬性等。在數值求解時應按照以下要求進行：

(1)旋風分離器內部流體環境，具有三維強旋轉湍流的特點，同時體現出各向異性，需要采用雷諾應力湍流模型，使模擬的環境更加貼近旋風分離器的內部環境。在旋風分離器的內部環境中，主要以氣、固兩相流場狀態為主，還應配合使用耦合隨機軌道模型進行數值計算；

(2)模型內流體環境運行所需條件，將入口氣流速度設定為每秒20米，并與接口截面保持垂直關系；

(3)氣相流體環境中，需要注入常溫下狀態的空氣。在固相環境中，使用滑石粉作為顆粒，要求顆粒的孔徑為45um，滑石粉密度為2750kg/m3。若固相環境中顆粒按照Rosin-Ramm-ler 形態分布，需要選取顆粒直徑的中間值，作為顆粒在固相空間內的比例含量；

(4)在求解數值過程中，若流體環境中的壓力和速度成正比關系，可以采用非交錯網格SIMPLEC 算法進行計算，同時配合使用QUICK格式或者PRESTO壓力插補格式，可以提高數值求解的準確率。

在求解數值時，應按照三維數值模型的方法模擬旋風分離器內部氣相流場，基于內部氣相流場，采用拉格朗日坐標系方法分析顆粒在固相流場內的運動狀態，以便計算出精準的模擬數值。

2.3 結果分析與討論

在旋風分離器內部，流體環境無法處于穩定的狀態，采用傳統的實驗方法無法掌握流體環境的狀態，采用數值模擬方法，在掌握每個位置的信息的同時，還能模擬出不同區域的物理狀態。

2.3.1 速度場分布

在旋風分離器內部形成圓柱分離段，獲取分離段截面的速度矢量圖，通過截面投影可以判斷平面內速度分量的變化。在分離器內部流體呈現旋轉狀態，而外部流體方向與截面內方向相同，證明在分離器的內部和外部，形成的相同方向的旋轉狀態。

在旋風分離器中心軸線位置，通過分析縱截面的速度變化，包括切向速度、軸向速度等，都與分離器內強旋流速度相同。此外在分界面的流場內部，最大切向速度形成的分界面，是以圓柱面形式出現，在原柱面內、外形成合渦結構。在出流體的外部，部分區域流向朝下，在內部區域流向朝上，在軸向速度為零的臨界點，會形成零軸速度包絡面，在包絡面內速度矢量方向的變化，會使分界面發生變化。

2.3.2 壓強分布

對旋風分離器的中心軸線壓強分布情況進行分析，在中心軸線的縱截面上，流體環境內的靜壓強、動壓強以及總壓強，會形成具有對稱性特征的分布云圖。在云圖內參照數據標志條，有助于直觀的掌握不同區域的壓強分布狀態。通過掌握不同區域的壓強分布狀態，可以了解壓強變化幅度以及能量損失情況。壓強速度云圖包括切向速度云圖以及軸向速度云圖，壓強分布云圖包括靜壓分布云圖、動壓分布云圖以及總壓分布云圖。

2.3.3 顆粒軌跡的追蹤

追蹤流體環境中的顆粒軌跡，在模擬的環境中分析顆粒的運動狀態，有助于掌握旋風分離器運行情況，通過掌握運行情況，可以了解旋風分離器氣相和固相出現分離的機理。兩種直徑顆粒在旋風分離器內部運行時，1.5um 和3.9um 直徑顆粒運動軌跡存在較大的差異性，通過三個不同位置入射到分離器內，在左上角、中間以及右下角，根據運動軌跡的變化，證明不同粒徑的顆粒運動呈現隨機性特點，改變入射角度會使顆粒的運動軌跡發生較大的變化，而且1.5um粒徑受到湍動的作用后，會形成隨機的運動軌跡。在數值模擬期間，顆粒軌跡出現上灰環、短路流以及二次返混等情況，導致旋風分離器內部無法正常的進行氣相和固相分離。

3 結語

綜上所述，在化工機械設計中，本文以旋風分離器為例應用CFD 技術，通過模擬分離器內部的流體環境，可以直觀的分析速度、壓強、濃度以及溫度等在流體環境中的狀態，以便獲取精準的數值，從而優化和完善旋風分離器，提高旋風分離器的化工生產能力。借助CFD技術模擬分離器的內部環境，使獲得的數值更加準確，有效提高設計的真實性和穩定性，為化工機械設計奠定堅實的基礎。