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计算流体动力学在化工中的应用

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计算流体力学在化工中的应用

摘要：计算流体力学（CFD）用于求解固定几何形状设备内的流体的动量、热量和质量方程以

及相关的其它方程，是化学工程师用于分析问题和解决问题强有力的和用途广泛的工具。本文

综述了CFD 在化学工程领域的应用进展及发展趋势。

关键词：计算流体力学；流体流动；化学工程；数值模拟

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）是流体力学的一个分支，

用于求解固定几何形状空间内的流体的动量、热量和质量方程以及相关的其他方

程，并通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关数据[1]。CFD最早运用于

汽车制造业、航天事业及核工业，解决空气动力学中的流体力学问题。CFD计算相

对于实验研究，具有成本低、速度快、资料完备、可以模拟真实及理想条件等优

点，从而使CFD成为研究各种流体现象，设计、操作和研究各种流动系统和流动过

程的有利工具。20世纪60年代末，CFD技术已经在流体力学各相关行业得到了广泛

的应用，化学工程的模拟计算始于20世纪90年代后期，如今CFD已经成为研究化工

领域中流体流动和传质重要工具。CFD可以用于各种化工装置的模拟、分析及预

测，如模拟搅拌槽混合设备的设计、放大；可以预测流体流动过程中的传质、传

热，如模拟加热器中的传热效果，蒸馏塔中的两相传质流动状态；可以描述化学反

应及反应速率，进行反应器模拟，如模拟出燃烧反应器、生化反应器中的反应速

率；还可有效模拟分离、过滤及干燥等设备及装置内流体的流动。

一、CFD在化学工程中的基本原理

CFD是通过数值计算方法来求解化工中几何形状空间内的动量、热量、质量方

程等流动主控方程，从而发现化工领域中各种流体的流动现象和规律，其主要以化

学方程式中的动量守恒定律、能量守恒定律及质量守恒方程为基础。一般情况下，

CFD的数值计算方法主要包括有限差分法、有限元法及有限体积法[2]。CFD是多领

域交叉的学科，涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、

数值分析等学科。这些学科的交叉融合,相互促进和支持,推动着这些学科的深入发

展。CFD的真实模拟，其主要目的是对流体流动进行预测，以获得流体流动的信

息，从而有效控制化工领域中的流体流动。随着信息技术的发展，市场上也出现了

CFD软件，其具有对流场进行分析、计算、预测的功能，计算流体力学软件操作简

单，界面直观形象，有利于化学工程师对流体进行准确的计算。常见的CFD软件

有：FLUENT、PHOENICS、CFX、STAR-CD、FIDIP等。其中FLUENT由美国

FLUENT公司于1983年推出的，是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛

的CFD软件之一。

二、CFD在化学工程中的应用 1.在搅拌槽中的应用分析

搅拌槽由于其内部流动的复杂性，搅拌混合目前尚未形成完善的理论体系，对

搅拌槽等混合设备的放大设计，经验成分往往多于理论计算。在工业实际中，特别

是快速反应体系或高黏度非牛顿物系，工业规模的反应器存在不同程度的非均匀

性，随着规模的增大，这种不均匀性更加严重，经验放大设计方法的可靠性受到前

所未有的挑战，因此对搅拌槽内部流场有必要进行更深入的研究。

自从Harvey等[3]用计算机对搅拌槽内的流场进行二维模拟以来，近年来利用

CFD的方法研究搅拌槽内的流场发展很快，使用这种方法不仅可以节省大量的研究

经费，而且还可以获得通过实验手段所不能得到的数据。Sun等[4]利用CFD中的相关

湍流模型计算了搅拌槽内的气液两相流动，并且对其进行了三维模拟，通过实验研

究表明，计算流体力学的数值模拟能有效的计算搅拌器上部的气体部分，但其模拟

数值也存在一定的缺陷，即不能有效模拟搅拌器底部区域。Wang等[5]以欧拉-欧拉

方法为基础，采用相关湍流模型对搅拌槽中液-液-固三相体系各相的流场分布进行

了CFD数值模拟，结果表明固体颗粒对液液两相分布有很大的影响，液相分布与实

验结果吻合较好，固相分布结果与实验数据还存在一些差异，但是随在叶轮转速的

增加也趋向一致。

此外，CFD与多普勒激光测速仪（Laser Doppler Velocimetry, LDV）有效结合

可以更深入的研究搅拌装置，因为LDV测量数据可以验证CFD计算结果，并且使用

LDV 测定特定点的速度也可作为CFD计算的边界条件。

2.在换热器中的应用分析

换热设备在化学工程中被广泛使用，详细、准确地预测壳程的流动、传热特性

对设计经济和可靠的换热器以及评价现有管壳式换热器的性能对工业应用十分重

要。针对管壳式换热器几何结构复杂，流动和传热的影响因素很多等特点，运用

CFD对管壳式换热器的壳侧流场进行计算机模拟，可以对其他方法难以掌握的壳侧

瞬态的温度场和速度场有所了解，利于换热器的机理分析和结构优化。

熊智强等[6]利用CFD技术对管壳式换热器弓形折流板附近流场进行了数值模

拟，发现在弓形折流板背面，有部分区域的流速较低，一定程度上存在着流动死

区，采用在弓形折流板上开孔的方法后，CFD计算结果显示其传热效率提高，壳侧

压降减。

3.在反应工程中的应用研究

CFD在化学反应工程领域也得到了广泛应用。Meier等[7]使用CFD设计和优化新

型高温太阳能化学反应器。CFD模拟提供了计算速度、温度和压力场,以及粒子运动

轨迹,而这些数据在高辐射和高温条件下无法测量得到。Holgren和Anderson[8] 通过

CFD软件采用有限元法模拟了用整块催化剂进行的催化燃烧、部分氧化和液相加氢

等化学反应，并与实验结果进行了比较。

4.在精馏塔中的应用研究

CFD是研究精馏塔内气液两相流动和传质的重要工具，通过CFD模拟可获得塔内气液两相微观的流动状况。在板式塔板上的气液传质方面，Mudde等[9]应用低雷诺

数的模型对鼓泡塔反应器的持液量和速度分布进行了模拟，在塔气相负荷、塔径、

塔高和气液系统的参数大范围变化的情况下，模拟结果和现实的数据能够较好的吻

合。Vivek等[10]以欧拉-欧拉方法为基础，充分考虑了塔壁对塔内流体的影响，用

CFD软件模拟计算了矩形鼓泡塔内气液相的分散性能，以及气泡数量、大小和气相

速度之间的关系，取得了很好的效果。

三、结束语

由于化工过程中经常会出现流体，所以CFD在化学工程领域得到了广泛的应

用。所有涉及流体流动、热交换、分子输运、燃烧等现象的问题，几乎都可以通过

CFD的方法进行分析和模拟。但CFD还不是一种很成熟的技术，在处理复杂的物理

现象、湍流和反应等现象，难以找到合适的模型，对计算机配置要求也高，对于许

多问题所应用的数学模型也还不够精确。即使是所谓的通用CFD软件，也不是适合

于所有流体力学问题，需要使用者根据研究的对象做认真的选择。即使如此，CFD

已经成为化工过程研究中不可缺少的工具，随着现代计算机硬件和软件技术的发

展，CFD将会在化工领域得到更广泛的应用。

参考文献：

[1]姚朝晖，周强. 计算流体力学入门 [M]. 北京：清华大学出版社，2010.

[2]王福军. 计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用 [M]. 北京：清华大学出版社，2004.

[3] Harvey P S, Greaves M. Turbulent flow in an agitated vessel. PartⅡ:Numerical solution and model

prediction [J]. Transaction of the Institute of Chemical Engineers, 1982, 60: 201-210.

[4] Sun H Y, Mao Z S, Yu G Z. Experimental and numerical study of gas hold-up in surface aerated

slimed tanks [J]. Chemical Engineering Science, 2006, 61:4098-4110.

[5] Wang F, Mao Z S, Wang Y F, et al. Measurement of phase holdups in liquid-liquid-solid three-

phase stirred tanks and CFD simulation [J]. Chemical Engineering Science, 2006, 61:7535-7550.

[6]熊智强，喻九阳，曾春.折流板开孔改进管壳式换热器性能的CF'D分析 [J]. 武汉化工学院学

报，2006, 38(4): 67-70.

[7] Meier A, et al. Modeling of a novel high-temperature solar chemical reactor [J].Chemical

Engineering Science, 1996, 51 (11): 3181-3186.

[8] Holmgern A, Anderson B. Mass transfer in monolith catalysts–CO oxidation experiments and

simulations [J]. Chemical Engineering Science, 1998, 53 (13): 2285-2298.

[9] Mudde R F. 2D and 3D simulations of an internal airlift loop reactor on the basis of a two-fluid

model[J]. Chemical Engineering Science, 2001, 56 (21): 6351-6358.

[10]Vivek V. B. Dynamics of gas–liquid flow in a rectangular bubble column: experiments and

single/multi-group CFD simulations [J]. Chemical Engineering Science, 2002, 57(22): 4715-4736.

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计算流体动力学(CFD)在流体力学教学中的应用

计算流体动力学(CFD)在流体力学教学中的应用

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投稿邮箱：jyxdhbjb@课程与教学工程流体力学是研究流体的机械运动规律以及运用这些规律解决工程实际意义的一门学科。工程流体力学成为大部分工科学生的必修专业基础课程，主要涉及的专业有机械、能源动力、化工、环保、石油等专业[1]。该课程的特点是抽象、枯燥、难懂，应用的数学知识较多。因此为提高教学质量，授课教师们也一直在探讨如何改进流体力学的教学方法。近年来，随着计算机科学的发展，计算流体动力学（简称CFD）技术日趋成熟。 CFD是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统进行求解分析[2]。由于数值模拟相对于实验研究具有成本低、周期短、获得数据完整等特点�对设计研发起到重要指导作用，所以CFD技术得到了越来越多的应用。如何最大程度地激发学生对所学知识的兴趣是教学成败的最关键因素，它影响着学生对知识的求知欲望，从而进一步决定对他们对所学理论的理解与掌握[3]。由于流动基本变化规律很难理解，因此本文将CFD技术应用在流体力学的教学过程中。通过对基本流动现象的数值分析，将抽象的概念、理论变成形象的画面及动画演示，并结合基础理论进行讲解，便于学生对所学内容深入理解。同时也列举科研中研究的工程实际问题，从而达到激发学生的学习兴趣，改善教学效 果的目的。Fluent软件是1999年进入中国市场，目前在国内各个行业得到广 泛应用。文献[3]和[4]希望在流体力学的教学过程中，同时也教授软件Fluent的使用方法，让学生自己对简单地流动现象进行数值仿真，从而使学生对流体力学的基本概念和基本理论理解深刻。这种想法立意很好，但对教师要求很高，同时由于课时的有限，实际操作起来困难较大。本文应用Fluent软件，对流体力学中的一些基本流动现象进行数值分析，并将流动规律的动画或图片应用到教学过程中，清晰表明流动规律，帮助学生建立清晰的物理概念，缩短认识过程，让学生在屏幕上看到“流动”。加深学生对流动基本概念的理解，取得了良好的教学效果。一　基本概念和基 本理论的讲解（一）　管内层流流动在讲解管流中流动状态时，层流和湍流是不太容易理解的概念。因此，将一个层流管流动现象展现出来，有助于帮助学生理解，并了解层流的流动特点和流动结果。建立圆管中的二维层流流动计算模型。流体为常温下的液态水，以速度0.01 m/s匀速流动，圆管的直径3cm，圆管的长度100cm，水的运动粘度1x10-6m2/s,雷诺数Re=300。利用FLUENT-2D求解器计算 管内水流情况。从图1中看出，圆管内层流流动的速度分布是抛物线，最大速度在管轴 中心线处。在靠近壁面处，网格划分足够细密，可以看到边界层内速度的快速增长。通过图片及动画演示可以生动体现流动特征， 使学生易于理解。计算流体动力学（CFD）在流体力学教学中的应用王东屏，贾颖，栾志博（大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028）摘　要：本文将先进的计算流体动力学（CFD-Computational Fluid Dynamics）技术引入流体力学的教学中，生动、形象地展示各种常见的流 动现象，将抽象的概念、理论变成形象的画面，并结合基础理论进行讲解，便于学生对所学内容的深入理解。比如对圆管层流、孔口出流、变截面弯管流动等流动现象进行数值分析，并可视化展示流动变化规律，将生动的图片和动画应用在教学过程中。同时列举科研过程中应用CFD对动车组内外流场气动特性研究的工程实际问题，从而达到激发学生的学习兴趣，改善教学效果的目的。关键词：流体力学；计算流体力学；动画展示；教学效果

计算化学中的流体分子动力学模拟

计算化学中的流体分子动力学模拟

计算化学中的流体分子动力学模拟

在化学领域中，对于液态和气态物质进行研究常常使用计算化学的方法。流体分子动力学模拟是其中一种重要的计算方法，它能够模拟分子之间的相互作用及其运动状态，使得科学家们能够更加深入地了解流体的行为和性质。

1. 流体分子动力学模拟的基本原理

流体分子动力学模拟主要基于牛顿物理学和多体理论，通过求解牛顿运动方程来预测流体分子的运动和相互作用，从而模拟整个系统的行为。计算涉及的主要参数包括分子的位移、速度和加速度。

具体来说，每个分子都被当作一个质点，并在模拟中通过分子间的碰撞交换能量和动量。计算模型通过引入一些参数，如分子间作用力场、LD（Langevin Dynamics）随机力等，来描述分子间的相互作用和运动。

2. 流体分子动力学模拟的应用

流体分子动力学模拟在许多领域都得到了广泛应用。例如，在材料科学领域，这种方法可以模拟分子杂化材料和纳米颗粒的构成、属性和行为。在生物化学领域，流体分子动力学模拟可用于研究生物大分子，诸如蛋白质、核酸和脂质之间的相互作用。另外，这种方法还可以用于模拟油气勘探和开采的相关问题，例如砂岩储层的渗透性和相对渗透率等。

3. 流体分子动力学模拟的关键技术

流体分子动力学模拟的关键技术包括模型设计、初始构型、分子间作用力场的建立和参数的优化等。

首先是模型设计，模型的选择对于准确模拟分子的相互作用和运动至关重要。例如，若模型结构过于简化，就会限制模拟的精确度。因此，对于不同的流体体系，选择适合的模型结构尤为重要。

其次是初始构型的确定，这会影响整个模拟的稳定性和准确性。常用的方法是从X光或NMR（核磁共振）实验中得到分子的结构信息，并利用构象搜索算法从中随机选取一个初始构型作为模拟的起点。

最后是对分子间作用力场的建立和参数的优化。不同的分子间存在不同的相互作用方式，因此需要建立不同的力场模型。而模型的参数优化是调整力场模型的过程，目的是使模型能更准确地预测实验结果。

计算流体动力学在冲击器设计和模拟中的应用

计算流体动力学在冲击器设计和模拟中的应用

第３６卷第５期　２００８年９月　石　油　钻　探　技　术　ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ　ＤＲＩＬＬＩＮＧ　ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ　Ｖｏ１．３６。Ｎｏ．５　

．１“８６３”计划专栏　

计算流体动力学在冲击器设计和模拟中的应用　

杨顺辉　陶兴华　殷　琨　彭枧明　索忠伟　涂玉林　

（１．中国石化石油勘探开发研究院德州石油钻井研究所，山东德州２５３００５；２．吉林大学建设工程学院，吉林长春１３００２６）　

摘要：冲击器对旋冲钻井技术的实施起着至关重要的作用。随着计算流体动力学（ＣＦＤ）技术的发展，ＣＦＤ　

也逐渐应用到冲击器的设计和模拟当中。优选了适合液动射流式冲击器性能模拟的ＣＦＤ软件，建立了计算模型　

并进行了计算分析，同时利用先进的粒子图像测速（ＰＩＶ）技术对射流元件的内部流场进行了观测，对ｃＦＤ模型进　

行了验证。最后指出，随着计算机技术的不断发展以及ｃＡＤ／ＣＡＥ、ＣＦＤ和ＰＩＶ技术的有机融合，冲击器虚拟样机　

设计和模拟技术将会得到进一步的发展和提高，这也是冲击器设计和模拟技术的一个重要发展方向。　

关键词：射流式冲击器；计算机模拟；计算流体动力学；粒子图像测速　

中圈分类号：ＴＥ９２１　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００１－０８９０（２００８）０５－００４０－０３　

几十年来的研究应用表明，旋冲钻井工艺技术　

可以大幅度提高钻井速度，因此，作为该技术核心工　

具的冲击器的发展很快。但由于在设计冲击器时基　

本采用“样机制造一室内试验一人井试验一再改进”　

的流程，导致研发周期长、代价高昂［１］。而且，对冲　

击器内流体流动的研究依然停留在定性分析上，在　

样机结构设计（如射流元件的设计）方面，最常用的　

依然是经验类比法。因此，在设计阶段最大可能地　

采用现代先进技术手段进行分析研究，会在样机研　

发阶段对冲击器的预期性能和寿命更有把握，而计　

算流体动力学（ＣＦＤ）技术就是能够满足需要的现代　

虚拟样机设计手段之一。　

１　ＣＦＤ软件的优选　

计算流体动力学（ＣＦＤ）是近代流体力学、数值　

计算流体动力学的发展及应用

计算流体动力学的发展及应用

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计算流体动力学的发展及应用

作者：王银平 李超

来源：《科教导刊·电子版》2014年第08期

摘 要 计算流体动力学是一门新兴学科，已经在各个工业领域得到广泛的应用。文章对计算流体动力学的概念、发展历程、特点及应用进行了介绍并对其发展趋势做了探讨。

关键词 计算流体动力学 发展历程 特点 应用

中图分类号：TE921 文献标识码：A

计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是近代流体力学、数值流体力学和计算机科学结合的产物，是一门新兴学科，已广泛应用于各个工业领域。它是集流体力学、数值计算及计算机图形学于一体的模拟技术，它的基本思想是将原来时间或空间域上连续的物理量的场用一系列有限个离散点上变量值的集合来代替，通过一定的方法建立这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组，进而获得场变量的近似值。通过这种方法，我们可以获得复杂问题流场各个位置上的物理量（如速度、压力、浓度等）的分布及其随时间变化情况。

1计算力体动力学发展

CFD作为一种工程研究和设计手段开始于20世纪60年代，并逐渐形成一门独立的学科。随着计算机技术以及数值计算方法的飞速发展，从20世纪60年代至今，CFD的发展大致经历了三个阶段。

1.1萌芽初创阶段（1965年-1974年）

在初始阶段，CFD主要用于解决流体力学中的一些基本的理论问题，如模型方程、数值方法、网格划分以及程序的编写与实现等等。将数值计算结果与传统的流体力学实验的结果进行比较分析，来评估数值计算方法的准确性。这一阶段的主要研究成果包括：1965年提出了交错网格；1969年英国帝国理工学院创建CHAM；1972年推出SIMPLE算法解决内流问题；1974年美国学者提出运用微分方程根据流动区域的形状生成适体坐标的方法 。