计算流体力学在化学工程中的应用

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1、万方数据第27卷第5期2007年5月现代化工Mode翔ChemicalhdustryMav2007·65·洳碉莉圈计算流体力学在化学工程中的应用黄永春1，唐军2，谢清若1，马月飞1(1．广西工学院生物与化学工程系，广西柳州545006；2．广西大学化学化工学院，广西南宁530004)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他方程，已成为研究化工领域中流体流动和传质的重要工具。本文概述了cFD的基本原理以及cFD在化学工程领域方面的应用，重点介绍

2、了cFD在搅拌槽、换热器、蒸馏塔、薄膜蒸发器、燃烧等方面的应用。关键词：计算流体力学；数值模拟；流体流动；化学工程中图分类号：’叼021．1文献标识码：A文章编号：0253—4320(20a7)05—0065一04Appli训onof伽删Ipul州ioIlalnIlid由malIlicsiIlCh砌cal蛐洳—ng嬲批yo盼如∽1，翻ⅣG胁2，脚Qi喈舢1，心‰徊1(1．De耻Ⅱ蜘1entofBiolo舀calandChemical嘲rleering，G眦m鲥UIljversityofT铳llll

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4、etsofequatiollsreⅡectingtIlepmblemat}瑚d．Itisa、rer)r邯岬edm龃diIIlport肌tt∞IofstudyiI唱flow6eld锄dmass协m出rintllech觚calen百rleering．Intllis胖lpert}legeneral砸ncipleofCFDandmeapplic撕onofcFDincheIIlicale姆n唧吨arereviewedandespeciallymeapplic撕帅ofCFDins石rredtaIlk，heat

5、救changer，dist．Ⅲ撕on呻，t}lill．filInev邓唧眨norandcombustorisir血Dduced．Key唧棚s：c唧u枷oIlalnuiddynaIllics(CFD)；n岫ericalsi删lla_【ion；ⅡIlidⅡow；ch锄icalen百ne喇ng计算流体力学(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。cFD最早运用于汽车制造业、航天事业及核工业

6、，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的重要工具。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

7、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。1aⅢ基本原理及常用工具CFD是以动量、能量、质量守恒方程为基础，用数值计算方法直接求解流动主控方程(Navier-Stokes方程)以发现各种流动现象规律。CFD计算方法主要有3种：差分法、有限元法、有限体积法。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、计算几何学、数值分析等学科

8、。cFD模拟的目的是作出预测和获得信息，以达到对流体流动的更好控制。理论的预测出自数学模型的结果，而不是出自一个实际的物理模型的结果。数学模型主要是由一组微分方程组成，这些方程的解就是CFD模拟的结果。CFD软件是用来进行流场分析、计算、预测的专用工具，对大多数人来说，不必要掌握流体力学微分方程的求解以及对计算流体力学的深入研究，但在工作中又需要对某些具体的流动过程进行分析、计算和研究，由此计算准确、界面友好、使用简单，又能收稿日期：2007一01—28作者简介：黄永春(1974一