流体力学对化学工程的贡献探究

【前言】流体力学对化学工程的贡献探究由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。1 计算流体力学概述 作为流体力学的一个分支，计算流体力学主要负责，在固定的几何形状空间内，求解流体的动量方程、热量方程、质量方程以及其它的一些相关方程，然后通过进行计算机模拟，得到在特定条件下流体的有关数据。计算流体力学主要根据动量、能量、质量守恒...

摘要：在化学化工研究和开发的领域中，计算流体力学发挥着重要的作用，本文主要介绍了计算流体力学的基本原理，以及计算流体力学在化学工程领域中的应用，主要通过介绍计算流体力学在搅拌槽、换热器、蒸馏塔、薄膜蒸发器、燃烧等方面的应用，来体现流体力学在化学工程所作出的贡献。

关键词：计算流体力学；化学工程；应用

Abstract: in the chemical research and development of the field, play an important role in computational fluid dynamics, this paper mainly introduces the basic principles of computational fluid dynamics, and the application of computational fluid dynamics in the field of chemical engineering, application mainly through the introduction of computational fluid dynamics in the stirred tank, heat exchanger, distillation, thin film evaporator burning, etc., to reflect the fluid mechanics made in chemical engineering contribution.

Keywords: computational fluid mechanics; chemical engineering; application

中图分类号：TQ021.1 文献标识码：A

1 计算流体力学概述

作为流体力学的一个分支，计算流体力学主要负责，在固定的几何形状空间内，求解流体的动量方程、热量方程、质量方程以及其它的一些相关方程，然后通过进行计算机模拟，得到在特定条件下流体的有关数据。计算流体力学主要根据动量、能量、质量守恒方程，通过数值计算方法来求解出流动主控方程，并最终得到各种流动现象的规律。

计算流体力学主要包括3种计算方法：差分法、有限元法以及有限体积法。这是一个涉及到多个领域的学科，它不仅包括计算机科学、流体力学等专业学科，还有计算几何学、数值分析以及偏微分方程等数学理论知识。通过计算流体力学进行模拟，主要是为了作出预测和获得信息，来更好的控制流体流动。理论的预测主要来自于数学模型结果，并不是来源于实际的物理模型结果。

起初，计算流体力学主要用在航天事业、核工业以及汽车制造业上，解决一些涉及空气动力学方面的流体力学问题。计算流体力学的计算与实验研究相比，不仅成本低、速度快，还可以模拟真实、理想条件，所以，在各种流体现象的研究过程中，计算流体力学成为对各种流动系统和流动过程，进行设计、操作和研究的有利工具。

在上个世纪60年代末期，在流体力学各相关行业中，计算流体力学已经得到了广泛应用，直到上世纪90年代后期，才开始对于化学工程的模拟计算，现在化工领域中，计算流体力学已经成为流体流动和传质的重要研究工具。

在各种化工装置中，计算流体力学都可以进行模拟、分析、预测，比如说，可以在流体流动过程中，对于其中的传质、传热进行预测，比如在蒸馏塔中进行的两相传质流动状态的模拟，在模拟加热器里进行的传热效果的模拟；在搅拌槽混合设备可以进行模拟设计、放大；可以对化学反应及反应速率进行描述分析，并在反应器中进行模拟，比如可以在燃烧反应器、生化反应器，可以进行反应速率的模拟；另外，还可以进行一些设备的分离、过滤、干燥方面的模拟，以及一些装置内流体流动的模拟。

2 计算流体力学在化学工程中的应用

2.1 计算流体力学在搅拌槽中的应用

由于搅拌槽内部流动比较复杂，现在，搅拌混合仍然还没有形成完善的理论体系，在对一些混合设备，比如搅拌槽等，进行放大设计的时候，往往经验成分要多于理论计算。在实际的工业体系中，尤其是快速反应体系，还有高黏度非牛顿物系，不同程度的非均匀性存在于工业规模的反应器中，而且，不均匀性的严重性是随着规模的增大而增大的。所以，目前经验放大设计的可靠性，正在迎来前所未有的挑战，这就更有必要需要，更深入的对搅拌槽的内部流场展开研究。

最初，Harvey等对搅拌槽内的流场，利用计算机进行二维模拟，这些年来，通过采用计算流体力学的方法，对搅拌槽内的流场进行研究的技术，取得了较快的发展，这种方法在节省大量研究经费的同时，也可以获得实验所不能得到的数据。之后，Sun等针对搅拌槽气液两相流动，利用计算流体力学的湍流模型进行了三维模拟，实验结果显示，计算流体力学能很好地对搅拌器上部气体分布进行预测，对搅拌器底部区域的模拟却没有取得较好的效果。后来，Javed等也通过计算流体力学软件Fluent，对Rushton型涡轮搅拌槽湍流，作了与时间相关的三维数值预测，和实验结果比较显示，搅拌叶轮上下平均速域，两项结果一致，但在湍动能的结果上，计算值和实验结果还是存在一定差异的。

之后，又进行了许多类似的实验，实验证明，通过计算流体力学与数字粒子图像测速仪相结合，有益于更深入地对搅拌装置进行研究。通过数字粒子图像测速仪的测量数据，可以对计算流体力学的计算结果进行验证，另外，数字粒子图像测速仪的测定点速度，也可以作为计算流体力学的边界条件。除此之外，多普勒激光测速仪也可以与计算流体力学相结合，用于研究搅拌。

2.2 计算流体力学在换热器中的应用

在化学工程中，换热设备应用比较广泛，它可以详细、准确地对壳程的流动、传热特性做出预测，这不仅有助于设计经济和可靠的换热器，还有助于对现有管壳式换热器的性能做出评价，在工业的应用过程中起着十分重要的作用。

管壳式换热器不仅具有比较复杂的几何结构，而且流动、传热的影响因素也比较多，通过计算流体力学，利用计算机对换热器壳侧流场进行模拟，这就有助于对壳侧瞬态的温度场、速度场加以了解，这是其它方法所难以掌握的，这就方便了对换热器的机理分析以及结构优化。

其中，一些国外专家针对换热器内，流体流动的计算流体力学模拟展开过一些研究。熊智强等专家，针对换热器弓形折流板流场，利用该技术进行了数值模拟，研究结果表明，在弓形折流板的背面，存在着流动死区，导致一些区域的流速偏低，通过在弓形折流板上开孔，计算流体力学计算结果显示，其传热效率有了明显的提高，壳侧压降有了明显降低。

一般来说，管壳式换热器中流体流动为湍流，与此同时，在实际的应用过程中，管壳式换热器中管的数量又比较多，这就给计算增加了难度。现在，针对于管壳式换热器壳程流动的研究，主要采用的还是二维、三维单相研究方法，另外，三维两相还有多相的计算流体力学模拟应用的还是比较少的。

2.3 计算流体力学在其他方面的应用

在其它的一些化工领域中，计算流体力学的应用也是比较广泛的。比如说，在精馏塔中的应用，在薄膜蒸发器中的应用，在燃烧反应器中的应用，在生化反应器中的应用，如下进行简要概述。

在精馏塔气液两相流动、传质的研究过程中，计算流体力学是其中的一项重要工具，通过进行计算流体力学模拟，可以微观的检测到塔内气液两相流动状况。当然，在模拟精馏塔内流体流动上，计算流体力学模拟也存在一些不足，比如说，在规整填料塔内流体流动的模拟上，模拟结果与实验值还是存在一定偏差的。这主要因为数学模型还不够精确，这就要求无论在流体力学的理论分析上，还是实验研究，都需要进一步加强。

通过计算流体力学的应用，对薄膜蒸发器内各种场分布实现成功预测，这就在薄膜蒸发器内，进一步满足了对液膜流动、传热、传质机理的研究。但是由于在薄膜蒸发器内，蒸发过程比较复杂，无论国内还是国外，基于计算流体力学技术，针对薄膜蒸发器流体流动特性所展开的研究还是比较少的。

在各种燃烧系统中，计算流体力学的应用也是比较广泛的。通过计算流体力学，在燃烧过程中，可以对各种状态参数进行模拟，对燃烧器的燃烧过程加深理解，这不仅可以实现对燃烧反应器的优化，还可以相应的控制污染物排放量。

另外，在生化反应器模拟研究的过程中，计算流体力学也是一个重要的手段。生物反应器包括搅拌式生化反应器、气升式环流反应器等，通过对计算流体力学技术的应用，不但可以获取速度场、温度场、浓度场等方面的详细信息，还有助于对生化反应器优化、设计、放大等方面的研究。

但是，目前计算流体力学技术仍然不是很成熟，比如说，一些复杂物理、湍流、反应等现象，还不太容易找到合适的模型，在许多问题的应用上，数学模型也不够精确。这就需要工作人员要针对研究对象，做出合理的选择。即便如此，在化工过程研究中，计算流体力学技术已经成为不可缺少的工具，相信随着科学技术的发展，在化工领域中，计算流体力学技术将会得到更广泛的应用。

参考文献

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[2] 成娟.计算流体力学中的高精度数值方法回顾[A].计算物理.2009(09).

[3] 黄永春.计算流体力学在化学工程中的应用[A].现代化工.2007(05).

[4] 葛薇.化学工程中的计算流体力学[A].计算机与应用化学.2006(23).