江超

(江蘇三吉利化工股份有限公司，江蘇 連云港 222000)

0 引言

化工裝置設計中復雜流體力學的應用可解決多種問題，針對流體輸送非牛頓流體會產生剪切稀化現(xiàn)象，導致流體黏度降低，從而影響流體的輸送能力。通過研究復雜流體力學，可預測剪切稀化的程度，優(yōu)化管道的設計和材料的選擇，提高流體的輸送效率。對于液固兩相流體的分離過程，應用復雜流體力學可幫助優(yōu)化分離設備的結構和工藝參數，提高分離效率和產品質量。通過研究復雜流體的流動行為，可優(yōu)化裝置的設計和操作參數，提高裝置的性能和效率，滿足工業(yè)生產需求。

1 復雜流體力學相關概述

復雜流體力學是研究非牛頓流體以及其在各種復雜條件下的流動行為的學科。非牛頓流體是指在流動過程中，其黏度隨著剪切速率或剪切應力的改變而變化的流體。復雜流體力學的研究內容包括復雜流體的流變學性質、流動穩(wěn)定性、流動模式轉變以及流體與固體界面的相互作用等方面。流變學性質是關鍵的研究內容，主要包括黏度、剪切應力、剪切速率等參數。與牛頓流體不同的是，非牛頓流體的黏度不是常數，而是隨著流動條件的改變而變化。這種變化可以是剪切速率的變化，也可以是剪切應力的變化，該非線性的流變行為使得復雜流體的流動行為更加復雜和多樣化。流動穩(wěn)定性是指流體在外界擾動下是否能保持穩(wěn)定的性質，在復雜流體中因非牛頓性質的存在，流動穩(wěn)定性常常受到剪切速率、濃度梯度、溫度梯度等因素的影響。

研究流動穩(wěn)定性可幫助行業(yè)理解復雜流體在不同條件下的流動行為，從而為各化工設計應用提供理論支持。流動模式轉變指的是流體在不同流動條件下，流動模式從一種形式轉變?yōu)榱硪环N形式的現(xiàn)象。如流體在低剪切速率下可能呈現(xiàn)層流狀態(tài)，而在高剪切速率下可能呈現(xiàn)湍流狀態(tài)。研究流動模式轉變可幫助行業(yè)深入理解復雜流體的流動特性，并為流體流動的控制和優(yōu)化提供指導。另外，復雜流體力學還關注流體與固體界面的相互作用，流體與固體界面的相互作用對流體的流動行為起到重要的影響。如流體與固體界面上可能存在剪切層、滑移層等現(xiàn)象，各種現(xiàn)象將影響流體的流動速度和流動模式。研究流體與固體界面的相互作用可幫助行業(yè)理解復雜流體在微觀尺度上的行為，并為界面工程和表面潤濕等應用提供理論基礎。

2 化工裝置設計中應用復雜流體力學的意義及重要性

化工裝置設計中應用復雜流體力學具有重要意義，復雜流體力學是研究非牛頓流體、多相流、湍流等復雜流體行為的學科，可提供關于流體流動、混合、傳熱和質量傳遞等方面的詳細信息，各種信息對于化工裝置的設計、優(yōu)化和操作具有重要的指導作用。

2.1 預測化工裝置內部行為

應用復雜流體力學可幫助工程師更好理解和預測流體在化工裝置內部行為。在化工裝置設計過程中，流體的流動和混合對反應進行及產物質量、產量有著直接影響，通過模擬和分析復雜流體行為，可更準確預測流體的分布、速度和濃度變化，從而優(yōu)化裝置的結構和操作參數。

2.2 優(yōu)化化工裝置傳熱效率

復雜流體力學還可幫助工程師優(yōu)化化工裝置的傳熱效率?；ぱb置設計過程中，熱傳遞是一個重要的環(huán)節(jié)，直接影響著反應的速率和產物的質量。通過了解流體的熱傳導特性、對流傳熱和輻射傳熱等機制，可設計更高效的傳熱器、改進傳熱表面的結構，并優(yōu)化流體的運動方式，從而提高傳熱效率。

2.3 指導化工裝置液體分離及固液分離

復雜流體力學還對化工裝置的流體分離和固液分離等過程具有重要指導作用?；どa中流體分離是一種常見的操作，如液-液相分離、氣-液相分離等。通過對流體相互作用力、界面特性和離心力等因素的研究，可設計出更有效的分離設備和操作策略，提高分離效率和產品純度。

3 化工裝置設計中應用復雜液體力學存在的問題

化工裝置設計中應用復雜流體力學常面臨多種問題，歸納以下幾點進行討論。

3.1 變量與參數不穩(wěn)定

復雜流體力學的計算模型通常需要考慮多個物理場的相互作用，例如流體流動、傳熱、物質傳輸等，相互作用的存在使得模型的建立和求解變得更加困難，需要考慮更多的變量和參數。

3.2 非線性及非穩(wěn)態(tài)

復雜流體力學中的流動現(xiàn)象常具有非線性和非穩(wěn)態(tài)特性，例如湍流流動，這種非線性和非穩(wěn)態(tài)的特性使得流體的行為更加復雜，難以通過簡化的模型進行描述。因此，在應用復雜流體力學進行裝置設計時，需使用高精度的數值計算方法來求解相關的方程，以準確地預測流體的行為。

3.3 幾何形狀及邊界條件

復雜流體力學中的流動現(xiàn)象還常受到裝置幾何形狀和邊界條件的影響，裝置的幾何形狀和邊界條件的不同會導致流動的分布和速度場的變化，從而影響裝置的性能和效果。因此，在進行復雜流體力學計算時，需要考慮裝置的幾何形狀和邊界條件的準確描述，以獲得可靠的計算結果。

3.4 計算的準確性問題

復雜流體力學的計算過程通常需要大量的計算資源和時間，因模型的復雜性和計算的精度要求，計算過程費時費力，對于裝置設計師來說是一個挑戰(zhàn)，需在計算精度和計算效率之間進行權衡，并選擇合適的計算方法和計算平臺。

3.5 專業(yè)人員的技術素質

復雜流體力學的應用需專業(yè)技術人員來進行模擬和分析，這便要求設計團隊具備深厚的理論基礎和豐富的實踐經驗。然而，化工設計領域目前普遍缺乏全能型專業(yè)技術人才，現(xiàn)有的技術人員一般缺乏對流體力學知識的學習和掌握，造成合格設計人才供給短缺。

4 化工裝置設計中復雜液體力學的應用路徑

化工裝置設計中復雜液體力學的應用是關鍵研究領域，液體在化工裝置中的流動行為對于工藝效率和產品質量具有重要影響。因此，深入研究液體的流動特性和力學行為，以及開發(fā)相應的數值模擬方法和實驗技術，對優(yōu)化化工裝置的設計和運行至關重要。

4.1 流體力學在液體流動行為中的應用

通過應用流體力學原理來描述液體在化工裝置中的流動行為，可幫助工程師們更好地設計和優(yōu)化裝置，提高工藝效率和產品質量[1]?；どa過程中，液體的流動行為可能受到多種因素的影響，例如裝置的幾何形狀、流體物性參數、邊界條件等。通過建立質量守恒、動量守恒和能量守恒方程，企業(yè)可分析流體在裝置內的運動規(guī)律。質量守恒方程描述液體在裝置內質量的變化情況，即液體在裝置的進口和出口之間的質量流量是否平衡；動量守恒方程描述了液體在裝置內的動量變化情況，即液體在裝置內的流速、壓力和流動方向的變化；能量守恒方程描述了液體在裝置內能量的變化情況，即液體在裝置內的溫度和壓力的變化。利用各種方程可通過數值模擬方法來模擬和預測液體在裝置內的流動行為[2]。計算流體力學(CFD)是一種常用的數值模擬方法，通過將裝置劃分為網格單元，將流體力學方程離散化求解，可得到液體在裝置內的流動速度、壓力、溫度等物理特性的分布。利于企業(yè)可通過CFD 模擬來預測液體在裝置內的流動行為，從而優(yōu)化流程、減少能源消耗和提高產品質量。除數值模擬方法，實驗方法也是研究液體流動行為的重要手段之一。通過設計合適的實驗裝置和測量技術，可直接觀測和分析液體在裝置內的流動行為，驗證數值模擬結果的準確性。

4.2 流體力學在液體流變性質中的應用

液體的流變性質對于裝置設計和操作的重要性不可忽視，黏度是液體流變性質中一個關鍵參數，決定液體的流動阻力和黏附性。根據液體的黏度設計師可選擇合適的管道尺寸和形狀，以減小液體在管道中的阻力，從而提高流動效率。黏度還影響著液體的混合和分離過程，在一些化工反應中，黏度的變化可導致反應物無法充分混合，從而影響反應的效果[3]。因此裝置設計中需考慮液體的黏度范圍，并采取相應的措施來促進混合反應。 流變應力是另一個重要的流變性質，描述液體在外力作用下的變形能力。裝置設計中流變應力的大小會影響液體的輸送和處理能力。例如，在流體輸送管道中，如果液體的流變應力過大，可能導致管道堵塞或者設備磨損，從而影響生產效率。

因此，設計師需根據液體的流變應力特性選擇合適的材料和裝置結構，以確保正常的液體輸送和處理過程。除黏度以及流變應力，亦存在其他流變性質對裝置設計和操作有著重要影響。例如，流變性質還包括剪切應力、彈性模量等，各種參數的選擇和控制將直接影響液體在裝置內的流動行為和性能[4]。因此，裝置設計中工程師需全面了解液體的流變性質，并結合實際需求進行合理設計和操作，可提高裝置的效率、降低能耗，并確保裝置內的流動行為符合預期。

4.3 流體力學在能源開發(fā)中的應用

復雜流動力學的研究有助于解決與環(huán)境保護和能源開發(fā)相關的問題，例如，針對液體在管道中流動行為的深入理解，可幫助企業(yè)設計更高效的輸油管道系統(tǒng)，減少能源損耗和環(huán)境污染。對于液固兩相流動的研究，可幫助企業(yè)改進廢水處理技術，提高處理效率和減少廢水排放的對環(huán)境的不良影響。多相流動研究中流體力學的基本原理和模型是不可或缺的工具，通過建立適當的數學模型和方程組，設計師可對多相流動中的各種參數進行分析和預測。例如，通過對流體速度、壓力、濃度等參數的計算和模擬，可了解到不同相態(tài)物質在流動過程中的分布和變化規(guī)律，信息對于化工裝置的設計和操作都具有重要意義[5]。

由于多相流動的復雜性和非線性特性，對其進行準確的建模和計算仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的任務。因此，設計師們不斷努力尋找更精確、更有效的模型和方法，以便更好理解和控制多相流動的行為。也可借助先進的實驗技術和計算機模擬手段，可更加深入地探索多相流動的機理和特性，為化工工藝發(fā)展提供更有力的支持。通過研究多相流動的特性和機理，可優(yōu)化化工過程的設計和操作，提高效率和產品質量，還有助于解決環(huán)境保護和能源開發(fā)等方面的問題。

4.4 提高技術人員流體力學的應用能力

化工裝置設計中復雜液體力學的應用是一項關鍵技術，而技術人員卻是應用的關鍵因素，這便需要技術人員具備扎實的理論基礎知識，通過熟悉流體力學、傳熱學、傳質學等相關的基本理論，了解其在復雜液體力學中的應用?？赏ㄟ^系統(tǒng)學習和培訓，包括參加相關課程、研討會和工作坊等方式，顯著提高技術人員綜合能力。

實踐經驗對于技術人員的提升也是至關重要的，應在合適的時機參與到實際的化工裝置設計和運行中，親身體驗復雜液體力學的挑戰(zhàn)和解決方法，可通過實習、項目參與或者合作研究等方式來實現(xiàn)。技術人員還應積極關注和學習最新的研究成果和技術發(fā)展，復雜液體力學領域的研究和應用一直在不斷進步，新的理論、方法和工具不斷涌現(xiàn)，技術人員應通過閱讀學術文獻、參加學術會議和與領域專家交流等方式，不斷更新自己的知識和技能[6]。

技術人員還應具備良好的團隊合作和溝通能力，復雜液體力學的應用往往需要多個領域的專家共同協(xié)作，技術人員需要能夠與其他團隊成員有效溝通和合作，共同解決問題。只有技術人員不斷提高自己的能力，才能為化工裝置設計和運行中的復雜液體力學問題提供有效的解決方案。

5 結語

綜上所述，應用復雜流體力學在化工裝置設計中具備重要意義，可幫助石化企業(yè)的化工設備設計師和工程師們更好理解和預測流體的行為，優(yōu)化裝置的結構和操作參數，提高傳熱效率，改進分離過程，從而實現(xiàn)化工生產的高效、安全和可持續(xù)發(fā)展。