王軍（浙江省天正設(shè)計工程有限公司，浙江杭州310012）

0 引言

在社會和經(jīng)濟發(fā)展過程中，科學(xué)技術(shù)發(fā)展速度不斷加快，在化工機械設(shè)計中積極應(yīng)用CFD技術(shù)，不僅使化工機械規(guī)模不斷擴大、功能不斷增加，還能設(shè)計出不同種類的化工設(shè)備，滿足化工企業(yè)的生產(chǎn)需求。由于化工生產(chǎn)具有一定的特殊性，多數(shù)生產(chǎn)需要在密閉的環(huán)境中進行，提高化工機械的密閉性，使化工生產(chǎn)處于安全穩(wěn)定的環(huán)境，需要先進的機械設(shè)計技術(shù)，而CFD技術(shù)滿足化工機械設(shè)備的設(shè)計需求。

1 計算機流體力學(xué)簡介

CFD 技術(shù)全稱為計算機流體動力學(xué)，是計算機技術(shù)、數(shù)理方法以及流體力學(xué)共同形成的新型技術(shù)。作為計算機輔助工程重要的組成部分，在流體力學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用CFD 技術(shù)，通過CFD技術(shù)模擬機械設(shè)備內(nèi)部形成的流體環(huán)境，以便分析流體力學(xué)對機械設(shè)備產(chǎn)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(shè)備內(nèi)部造成的破壞。使用計算機模擬機械設(shè)備內(nèi)部流體環(huán)境時，根據(jù)流體環(huán)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(shè)備內(nèi)部環(huán)境過程中，通過CFD技術(shù)計算模擬環(huán)境中產(chǎn)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(xiàn)出模型中流體環(huán)境的狀態(tài)，有助于用戶掌握機械設(shè)備內(nèi)部真實的環(huán)境。

現(xiàn)階段CFD技術(shù)應(yīng)用在化工機械設(shè)計中，由于缺少計算流體環(huán)境的軟件，需要掌握機械設(shè)備內(nèi)部處理物料的過程產(chǎn)生的參數(shù)，包括速度、壓強、濃度以及溫度等，以便快速分析機械設(shè)備內(nèi)部的環(huán)境，在應(yīng)用CFD技術(shù)時模擬出機械設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的變化，包括氣態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)、液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)以及氣態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)等，可以使設(shè)計內(nèi)容滿足機械設(shè)備的生產(chǎn)需求，并且還能優(yōu)化和完善化工機械設(shè)備。

2 CFD技術(shù)在化工機械設(shè)計中的應(yīng)用

CFD技術(shù)在化工機械設(shè)計中的應(yīng)用過程中，使用CFD技術(shù)設(shè)計旋風(fēng)分離器，旋風(fēng)分離器在石油、礦山等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，在現(xiàn)代化工生產(chǎn)過程中，使用旋風(fēng)分離器進行分離、除塵等一系列的化工生產(chǎn)，有效提高化工生產(chǎn)效率。但是旋風(fēng)分離器在進行化工生產(chǎn)時，由于機械內(nèi)部會形成多相流環(huán)境，每個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)都會受到多相流環(huán)境的影響，導(dǎo)致氣力輸送、流態(tài)化等過程出現(xiàn)不同的問題。為有效解決旋風(fēng)分離器化工生產(chǎn)出現(xiàn)的問題，應(yīng)用CFD 技術(shù)模擬旋風(fēng)分離器內(nèi)部產(chǎn)生的流體環(huán)境，通過模擬獲得氣態(tài)、固態(tài)等狀態(tài)下的數(shù)值，以便優(yōu)化和完善旋風(fēng)分離器機械設(shè)計，提高旋風(fēng)分離器的生產(chǎn)能力。

2.1 建立模型

建立旋風(fēng)分離器模型，需要按照以下流程進行：第一，為旋風(fēng)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(fēng)分離器模型，模型的幾何參數(shù)依次設(shè)定為a=95mm、b=38mm 以及S=95mm；第二，對建立的模型進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格種類包括四面體網(wǎng)格、楔形網(wǎng)格以及六面體網(wǎng)格等，根據(jù)化工機械內(nèi)部流體環(huán)境的特征，需要選用合適的網(wǎng)格。隨后進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分時采用分塊網(wǎng)格技術(shù)，在模型中劃分出5個子區(qū)域，每個區(qū)域具有幾何形狀特征，以便符合模型計算要求；第三，設(shè)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(shù)值求解

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

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

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

(3)氣相流體環(huán)境中，需要注入常溫下狀態(tài)的空氣。在固相環(huán)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(huán)境中顆粒按照Rosin-Ramm-ler 形態(tài)分布，需要選取顆粒直徑的中間值，作為顆粒在固相空間內(nèi)的比例含量；

(4)在求解數(shù)值過程中，若流體環(huán)境中的壓力和速度成正比關(guān)系，可以采用非交錯網(wǎng)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(shù)值求解的準(zhǔn)確率。

在求解數(shù)值時，應(yīng)按照三維數(shù)值模型的方法模擬旋風(fēng)分離器內(nèi)部氣相流場，基于內(nèi)部氣相流場，采用拉格朗日坐標(biāo)系方法分析顆粒在固相流場內(nèi)的運動狀態(tài)，以便計算出精準(zhǔn)的模擬數(shù)值。

2.3 結(jié)果分析與討論

在旋風(fēng)分離器內(nèi)部，流體環(huán)境無法處于穩(wěn)定的狀態(tài)，采用傳統(tǒng)的實驗方法無法掌握流體環(huán)境的狀態(tài)，采用數(shù)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(qū)域的物理狀態(tài)。

2.3.1 速度場分布

在旋風(fēng)分離器內(nèi)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(nèi)速度分量的變化。在分離器內(nèi)部流體呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，而外部流體方向與截面內(nèi)方向相同，證明在分離器的內(nèi)部和外部，形成的相同方向的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

在旋風(fēng)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(nèi)強旋流速度相同。此外在分界面的流場內(nèi)部，最大切向速度形成的分界面，是以圓柱面形式出現(xiàn)，在原柱面內(nèi)、外形成合渦結(jié)構(gòu)。在出流體的外部，部分區(qū)域流向朝下，在內(nèi)部區(qū)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(luò)面，在包絡(luò)面內(nèi)速度矢量方向的變化，會使分界面發(fā)生變化。

2.3.2 壓強分布

對旋風(fēng)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(huán)境內(nèi)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(nèi)參照數(shù)據(jù)標(biāo)志條，有助于直觀的掌握不同區(qū)域的壓強分布狀態(tài)。通過掌握不同區(qū)域的壓強分布狀態(tài)，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(huán)境中的顆粒軌跡，在模擬的環(huán)境中分析顆粒的運動狀態(tài)，有助于掌握旋風(fēng)分離器運行情況，通過掌握運行情況，可以了解旋風(fēng)分離器氣相和固相出現(xiàn)分離的機理。兩種直徑顆粒在旋風(fēng)分離器內(nèi)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(nèi)，在左上角、中間以及右下角，根據(jù)運動軌跡的變化，證明不同粒徑的顆粒運動呈現(xiàn)隨機性特點，改變?nèi)肷浣嵌葧诡w粒的運動軌跡發(fā)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(shù)值模擬期間，顆粒軌跡出現(xiàn)上灰環(huán)、短路流以及二次返混等情況，導(dǎo)致旋風(fēng)分離器內(nèi)部無法正常的進行氣相和固相分離。

3 結(jié)語

綜上所述，在化工機械設(shè)計中，本文以旋風(fēng)分離器為例應(yīng)用CFD 技術(shù)，通過模擬分離器內(nèi)部的流體環(huán)境，可以直觀的分析速度、壓強、濃度以及溫度等在流體環(huán)境中的狀態(tài)，以便獲取精準(zhǔn)的數(shù)值，從而優(yōu)化和完善旋風(fēng)分離器，提高旋風(fēng)分離器的化工生產(chǎn)能力。借助CFD技術(shù)模擬分離器的內(nèi)部環(huán)境，使獲得的數(shù)值更加準(zhǔn)確，有效提高設(shè)計的真實性和穩(wěn)定性，為化工機械設(shè)計奠定堅實的基礎(chǔ)。