Fluent在工業結晶領域中的應用

劉玉智，劉睿杰，李賽鈺，陳立宗，丁尚志，陳 輝，郝 翠，孫蕓蕓

(1.齊魯工業大學(山東省科學院) 山東省分析測試中心，山東 濟南 250014；2.山東藍城分析測試有限公司，山東 濟南 250102；3.曲阜師范大學 軟件學院，山東 曲阜 273165)

1 流體力學基礎

流體力學計算的理論基礎即化工中常用的守恒方程：質量守恒方程、動量守恒方程與能量守恒方程。

2 有限體積法

在有限體積法中將所計算的區域劃分成一系列控制體積，每個控制體積都由一個節點做代表，通過將守恒型的控制方程對控制體積做積分來導出離散方程。在導出過程中，需要對界面上的被求函數本身及其一階導數的構成做出假定，這種構成的方式就是有限體積法中的離散格式。用有限體積法導出的離散方程可以保證具有守恒特性，而且離散方程系數的物理意義明確，是目前流動與傳熱問題數值計算中應用最廣泛的一種方法。

3 Fluent的建模思路

4 Fluent的應用概述

Fluent的應用包括各種優化物理模型，如計算流體流動和熱傳導模型(包括自然對流、定常和非定常流動，層流，湍流，不可壓縮和可壓縮流動，周期流，旋轉流及時間相關流等)，輻射模型，相變模型，離散相變模型，多相流模型及化學組分運輸和反應流模型等。Fluent含有多種傳熱燃燒模型及多相流模型，可應用于從可壓到不可壓、從低速到高速音速、從單相流到多相流、化學反應、燃燒、氣固混合等幾乎所有與流體相關的領域。

5 Fluent在結晶領域的應用

5.1 結晶器的設計

在結晶的放大過程中，由于反應釜的大小、形狀、材質等多方面條件都有可能有所不同，所以可能使放大結果與小試結果產生一定的偏差。通過CFD模擬可以計算出放大后與小試實驗時達到相同混合效果所需要的攪拌參數。也可以考察不同尺寸結晶器內固液、液液相的混合情況，為結晶器的設計提供參考基礎。該方法已經得到了廣泛的應用，如劉作華、銀建中等[1]通過實驗證實，攪拌槳的形狀、層數以及其在反應釜中的安裝高度等均對反應釜內的流體流動有一定的影響。Bujalshi W 等[2]應用CFD技術討論了雙層攪拌槳的反應釜內的流體混合過程。S. Murthy Shekhar等[3]使用CFD研究了反應釜內攪拌槳的能耗。湯俊杰等[4]運用Fluent 15.0軟件對結晶器不同結構進行模擬，其中包含攪拌槳槳型、攪拌槳安裝高度、雙層槳時兩槳之間的距離以及單雙槳的選擇，最終得出PBT槳型、槳高H/4、槳間間距932.125 mm時較好的結論。

5.2 結晶釜不同位置的參數確定

結晶過程中，反應液在反應釜中分布位置各不相同，有在攪拌槳上部、下部，或是靠近攪拌槳、遠離攪拌槳等情況之分。運用Fluent對數據經行分析，可以得到反應釜中不同位置的混合參數，如流速、壓力等。以CFD為理論基礎運用Fluent模擬軟件模擬結晶器內的流體狀態，可以考察固相、液相流體的分布及不同顆粒尺寸、不同攪拌速度對懸浮狀態的影響。應用k-ε湍流模型和Schiller Naumann曳力模型對結晶器內的固液體系進行模擬，得到如下結論：在同一攪拌條件下，結晶器內固體粒徑的大小對顆粒在結晶器內的分布有較大影響，固體體積分數較高的顆粒分布在結晶器靠近底部的位置，而固體體積分數較小的顆粒懸浮在結晶器內的固液體系中；攪拌強度會影響結晶器內的流體流速和固液體系的懸浮狀態。攪拌速度越快，結晶器內的固體懸浮性越好。但是，在實際工業結晶過程中，攪拌強度過高時，攪拌槳附近會形成較強的局部湍流，使體系中晶體與晶體和晶體與結晶器直接相互碰撞加劇，導致晶體生長受阻。

5.3 結晶過程的工藝放大

對于放大實驗，通過改變攪拌條件與反應釜的形式，可使其達到與小試等同的混合狀態，該過程便可用CFD進行模擬。馬澤文等[5]運用Fluent模擬軟件模擬了1～4 L結晶攪拌反應釜的流場分析。發現在反應釜中的中下部反應液混合比較均勻，但在反應釜中上部流場分布均勻性較差。將反應釜的攪拌槳由單槳變為雙層槳，對改造后的反應釜進行攪拌水溶液的單項流場進行三維仿真模擬，結果表明，雙層槳對于反應釜內反應液混合均勻性的提升有一定的作用。同時，在反應釜底部安裝擋板可以解決“攪拌死區”的問題。

6 結語

計算流體力學幾乎適用于所有關于流體和傳熱的情況。基于CFD的Fluent模擬對于結晶過程研究、放大實驗參數的確定和結晶器的設計均有指導作用。