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計(jì)算流體力學(xué)是流體力學(xué)的一個(gè)重要組成部分，其被廣泛的應(yīng)用在化學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域中，以解決化學(xué)工程中的流體力學(xué)等問(wèn)題。與化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究相比較，計(jì)算流體力學(xué)在化學(xué)計(jì)算中具有投資低、效率高、資料齊全等特點(diǎn)，同時(shí)也可以真實(shí)的模擬流體力學(xué)的流動(dòng)過(guò)程，計(jì)算流體力學(xué)已成為了研究化工領(lǐng)域中流體流動(dòng)和傳質(zhì)的重要工具。

一、計(jì)算流體力學(xué)在化學(xué)工程中的基本原理

計(jì)算流體力學(xué)是通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法來(lái)求解化工中幾何形狀空間內(nèi)的動(dòng)量、熱量、質(zhì)量方程等流動(dòng)主控方程，從而發(fā)現(xiàn)化工領(lǐng)域中各種流體的流動(dòng)現(xiàn)象和規(guī)律，其主要以化學(xué)方程式中的動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律及質(zhì)量守恒方程為基礎(chǔ)。一般情況下，計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值計(jì)算方法主要包括數(shù)值差分法、數(shù)值有限元法及數(shù)值有限體積法，其也是一門多門學(xué)科交叉的科目，計(jì)算流體力學(xué)不僅要掌握流體力學(xué)的知識(shí)，也要掌握計(jì)算幾何學(xué)和數(shù)值分析等學(xué)科知識(shí)，其涉及面廣。針對(duì)計(jì)算流體力學(xué)的真實(shí)模擬，其主要目的是對(duì)流體流動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以獲得流體流動(dòng)的信息，從而有效控制化工領(lǐng)域中的流體流動(dòng)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)上也出現(xiàn)了計(jì)算流體力學(xué)軟件，其具有對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行分析、計(jì)算、預(yù)測(cè)的功能，計(jì)算流體力學(xué)軟件操作簡(jiǎn)單，界面直觀形象，有利于化學(xué)工程師對(duì)流體進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。

二、計(jì)算流體力學(xué)CFD在化學(xué)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

1.CFD在攪拌中的應(yīng)用分析

由于攪拌槽內(nèi)的流場(chǎng)的流動(dòng)具有復(fù)雜性，目前對(duì)攪拌槽等混合設(shè)備的設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)成分也采用理論計(jì)算的方式，在化工領(lǐng)域中，化工工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器存在不均勻性等特點(diǎn)，不均勻性隨規(guī)模擴(kuò)大而加重，因此，對(duì)攪拌槽內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行研究是非常有必要的。雖然許多化學(xué)家對(duì)化工領(lǐng)域中的攪拌機(jī)槽內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了分析研究，如Harvey等人采用二維模擬計(jì)算攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)的流體，但隨著技術(shù)的不斷改革與發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)的引進(jìn)，改變了以二維模擬的計(jì)算方式，計(jì)算流體力學(xué)的方法不僅可以節(jié)約化工研究成本，采用實(shí)驗(yàn)手段不能獲得的數(shù)據(jù)，計(jì)算流體力學(xué)方法也可以獲得。Sun等人利用計(jì)算流體力學(xué)中的湍流模型計(jì)算了攪拌槽內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)，并且對(duì)其進(jìn)行了三維模擬，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值模擬能有效的計(jì)算攪拌器上部的氣體部分，但是，CFD數(shù)值模擬也存在一定的缺陷，不能有效模擬攪拌器底部區(qū)域。計(jì)算流體力學(xué)CFD與多普勒激光測(cè)速儀LDV有效結(jié)合，可以對(duì)攪拌裝置能更深入的研究，其主要原因是多普勒激光測(cè)速儀測(cè)量的數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確驗(yàn)證計(jì)算流體力學(xué)CFD計(jì)算的結(jié)果，同時(shí)多普勒激光測(cè)速儀測(cè)定特定點(diǎn)的速度也可以作為計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算的參考條件。

2.CFD在化學(xué)工程換熱器中的應(yīng)用分析

換熱器是化學(xué)工程中使用最多的設(shè)備，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)的計(jì)算方式，不僅可以精確、詳細(xì)的測(cè)量換熱設(shè)備內(nèi)流場(chǎng)的流動(dòng)，也可以預(yù)測(cè)換熱器的性能，經(jīng)濟(jì)可靠的換熱器對(duì)化工工業(yè)具有重要作用。對(duì)于化工中的管殼式換熱設(shè)備，其內(nèi)部的幾何形狀設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用計(jì)算流體力學(xué)模擬管殼式換熱設(shè)備的殼側(cè)流場(chǎng)，進(jìn)而充分了解管殼式換熱設(shè)備的殼側(cè)在瞬間變化中的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)，CFD的應(yīng)用有利于分析研究換熱器的基本原理和結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

3.CFD在化學(xué)反應(yīng)工程中的應(yīng)用研究

針對(duì)高溫的太陽(yáng)能化學(xué)反應(yīng)器，溫度、壓力場(chǎng)和計(jì)算速度等數(shù)據(jù)指標(biāo)等可以從CFD模擬優(yōu)化中獲取，包括粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，但當(dāng)溫度大于1500k和輻射強(qiáng)度超過(guò)3000KW/m2的狀態(tài)時(shí)，這些數(shù)據(jù)是無(wú)法獲取的。學(xué)者采用有限元法的計(jì)算機(jī)流體力學(xué)軟件的計(jì)算方式，對(duì)氧化燃燒化學(xué)反應(yīng)中的催化劑進(jìn)行模擬，最后，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于聚乙烯是化學(xué)反應(yīng)中使用最多的聚合物，其化學(xué)反應(yīng)也需要在高溫、高壓的環(huán)境下通過(guò)自由基聚合的方式生成，但是聚乙烯的生成需要利用絕熱高壓釜反應(yīng)器，學(xué)者為了更深入地研究絕熱高壓釜反應(yīng)器的內(nèi)部構(gòu)造和化學(xué)反應(yīng)原理，對(duì)反應(yīng)器中的旋轉(zhuǎn)漿葉、湍流模型等采用CFD中的FLUENT軟件進(jìn)行三維模型，經(jīng)過(guò)計(jì)算，可以得出不同環(huán)境下的反應(yīng)器的流線、反應(yīng)器內(nèi)部的濃度梯度及溫度梯度。通過(guò)CFD軟件預(yù)測(cè)反應(yīng)器的速度、溫度及壓力場(chǎng)，可以更進(jìn)一步理解化學(xué)反應(yīng)工程中的聚合過(guò)程，詳細(xì)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)可以優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)中的操作參數(shù)。

結(jié)束語(yǔ)：

計(jì)算流體力學(xué)在化學(xué)工程被得到廣泛的應(yīng)用，大多數(shù)化學(xué)工程師及專家都紛紛采用計(jì)算流體力學(xué)CFD研究化學(xué)領(lǐng)域中內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)流體。因此，加強(qiáng)計(jì)算流體力學(xué)軟件的研究，使計(jì)算流體力學(xué)應(yīng)用在化學(xué)工程中的各個(gè)領(lǐng)域。

[1]于艷,樊耀波,徐國(guó)良,王琦,楊文靜.計(jì)算流體力學(xué)在膜技術(shù)及膜生物反應(yīng)器研究中的應(yīng)用[J].膜科學(xué)與技術(shù),2011,01:105-112.

[2]劉國(guó)鈺.計(jì)算流體力學(xué)在優(yōu)化清水池水力中的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2012,20:68-69.

[3]于艷,樊耀波,徐國(guó)良,王琦,楊文靜.計(jì)算流體力學(xué)在膜技術(shù)及膜生物反應(yīng)器研究中的應(yīng)用[A].中國(guó)膜工業(yè)協(xié)會(huì)、同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院、中國(guó)城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會(huì)、上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院、哈爾濱工業(yè)大學(xué).2010年膜法市政水處理技術(shù)研討會(huì)論文集[C].中國(guó)膜工業(yè)協(xié)會(huì)、同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院、中國(guó)城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會(huì)、上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院、哈爾濱工業(yè)大學(xué):,2010:9.

[4]陳鵬.計(jì)算流體力學(xué)模擬技術(shù)在生物化工反應(yīng)器中的應(yīng)用研究[D].華東理工大學(xué),2013.