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(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 山東省分析測(cè)試中心，山東 濟(jì)南 250014；2.山東藍(lán)城分析測(cè)試有限公司，山東 濟(jì)南 250102；3.曲阜師范大學(xué) 軟件學(xué)院，山東 曲阜 273165)

1 流體力學(xué)基礎(chǔ)

流體力學(xué)計(jì)算的理論基礎(chǔ)即化工中常用的守恒方程：質(zhì)量守恒方程、動(dòng)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(jì)算的區(qū)域劃分成一系列控制體積，每個(gè)控制體積都由一個(gè)節(jié)點(diǎn)做代表，通過(guò)將守恒型的控制方程對(duì)控制體積做積分來(lái)導(dǎo)出離散方程。在導(dǎo)出過(guò)程中，需要對(duì)界面上的被求函數(shù)本身及其一階導(dǎo)數(shù)的構(gòu)成做出假定，這種構(gòu)成的方式就是有限體積法中的離散格式。用有限體積法導(dǎo)出的離散方程可以保證具有守恒特性，而且離散方程系數(shù)的物理意義明確，是目前流動(dòng)與傳熱問(wèn)題數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用最廣泛的一種方法。

3 Fluent的建模思路

4 Fluent的應(yīng)用概述

Fluent的應(yīng)用包括各種優(yōu)化物理模型，如計(jì)算流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)模型(包括自然對(duì)流、定常和非定常流動(dòng)，層流，湍流，不可壓縮和可壓縮流動(dòng)，周期流，旋轉(zhuǎn)流及時(shí)間相關(guān)流等)，輻射模型，相變模型，離散相變模型，多相流模型及化學(xué)組分運(yùn)輸和反應(yīng)流模型等。Fluent含有多種傳熱燃燒模型及多相流模型，可應(yīng)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(xué)反應(yīng)、燃燒、氣固混合等幾乎所有與流體相關(guān)的領(lǐng)域。

5 Fluent在結(jié)晶領(lǐng)域的應(yīng)用

5.1 結(jié)晶器的設(shè)計(jì)

在結(jié)晶的放大過(guò)程中，由于反應(yīng)釜的大小、形狀、材質(zhì)等多方面條件都有可能有所不同，所以可能使放大結(jié)果與小試結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差。通過(guò)CFD模擬可以計(jì)算出放大后與小試實(shí)驗(yàn)時(shí)達(dá)到相同混合效果所需要的攪拌參數(shù)。也可以考察不同尺寸結(jié)晶器內(nèi)固液、液液相的混合情況，為結(jié)晶器的設(shè)計(jì)提供參考基礎(chǔ)。該方法已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，如劉作華、銀建中等[1]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，攪拌槳的形狀、層數(shù)以及其在反應(yīng)釜中的安裝高度等均對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)的流體流動(dòng)有一定的影響。Bujalshi W 等[2]應(yīng)用CFD技術(shù)討論了雙層攪拌槳的反應(yīng)釜內(nèi)的流體混合過(guò)程。S. Murthy Shekhar等[3]使用CFD研究了反應(yīng)釜內(nèi)攪拌槳的能耗。湯俊杰等[4]運(yùn)用Fluent 15.0軟件對(duì)結(jié)晶器不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，其中包含攪拌槳槳型、攪拌槳安裝高度、雙層槳時(shí)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(shí)較好的結(jié)論。

5.2 結(jié)晶釜不同位置的參數(shù)確定

結(jié)晶過(guò)程中，反應(yīng)液在反應(yīng)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(yuǎn)離攪拌槳等情況之分。運(yùn)用Fluent對(duì)數(shù)據(jù)經(jīng)行分析，可以得到反應(yīng)釜中不同位置的混合參數(shù)，如流速、壓力等。以CFD為理論基礎(chǔ)運(yùn)用Fluent模擬軟件模擬結(jié)晶器內(nèi)的流體狀態(tài)，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(duì)懸浮狀態(tài)的影響。應(yīng)用k-ε湍流模型和Schiller Naumann曳力模型對(duì)結(jié)晶器內(nèi)的固液體系進(jìn)行模擬，得到如下結(jié)論：在同一攪拌條件下，結(jié)晶器內(nèi)固體粒徑的大小對(duì)顆粒在結(jié)晶器內(nèi)的分布有較大影響，固體體積分?jǐn)?shù)較高的顆粒分布在結(jié)晶器靠近底部的位置，而固體體積分?jǐn)?shù)較小的顆粒懸浮在結(jié)晶器內(nèi)的固液體系中；攪拌強(qiáng)度會(huì)影響結(jié)晶器內(nèi)的流體流速和固液體系的懸浮狀態(tài)。攪拌速度越快，結(jié)晶器內(nèi)的固體懸浮性越好。但是，在實(shí)際工業(yè)結(jié)晶過(guò)程中，攪拌強(qiáng)度過(guò)高時(shí)，攪拌槳附近會(huì)形成較強(qiáng)的局部湍流，使體系中晶體與晶體和晶體與結(jié)晶器直接相互碰撞加劇，導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)受阻。

5.3 結(jié)晶過(guò)程的工藝放大

對(duì)于放大實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變攪拌條件與反應(yīng)釜的形式，可使其達(dá)到與小試等同的混合狀態(tài)，該過(guò)程便可用CFD進(jìn)行模擬。馬澤文等[5]運(yùn)用Fluent模擬軟件模擬了1～4 L結(jié)晶攪拌反應(yīng)釜的流場(chǎng)分析。發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)釜中的中下部反應(yīng)液混合比較均勻，但在反應(yīng)釜中上部流場(chǎng)分布均勻性較差。將反應(yīng)釜的攪拌槳由單槳變?yōu)殡p層槳，對(duì)改造后的反應(yīng)釜進(jìn)行攪拌水溶液的單項(xiàng)流場(chǎng)進(jìn)行三維仿真模擬，結(jié)果表明，雙層槳對(duì)于反應(yīng)釜內(nèi)反應(yīng)液混合均勻性的提升有一定的作用。同時(shí)，在反應(yīng)釜底部安裝擋板可以解決“攪拌死區(qū)”的問(wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算流體力學(xué)幾乎適用于所有關(guān)于流體和傳熱的情況?；贑FD的Fluent模擬對(duì)于結(jié)晶過(guò)程研究、放大實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定和結(jié)晶器的設(shè)計(jì)均有指導(dǎo)作用。