计算流体力学在化学工程中应用

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摘要：化工行业的发展需要先进理论支撑，其中，计算流体动力学是基于各种计算方程的一种动力学计算方法。它可以计算许多化学反应设备中的动量、质量和能量。该理论最早用于化学工程领域，主要用于流体流动的研究。在当前的化学领域，计算流体力学已经成为一门独立的学科。它可以有效地解决很多领域的化学问题，对推动化学技术的发展和解决化学工程问题起到了很好的作用。

关键词：计算流体力学；应用研究；化学工程

化学工程以化学工业为研究对象，还包括其他领域生产中涉及的化学和物理过程的一般规律，如石油精炼和塑料合成等典型化学生产，还包括纳米技术和生物工程等现代化学领域。在技术带动下，化学工程为人类社会的发展起到的促进作用正在逐渐加深，尤其是在时代不断进步的背景下逐渐出现了一些新的化工材料，在生产生活中发挥出了巨大的作用。

1计算流体力学概述

1.1概念分析

在计算机的出现和迅速普及的过程中，计算机、流体力学和数学之间出现了一门多学科的学科，即计算流体力学。计算流体力学（CFD）是20世纪兴起的一门交叉学科。这门理论起源于飞机制造领域，在分析过程中通过迭加的方式模拟具体的问题，模拟流体结构并求解。计算流体力学主要是计算流体力学控制方程的数值，然后可以得到流场的离散定量描述结果。计算流体力学的相关研究主要采用数值方法和计算机求解流体力学的控制方程，然后对流体力学问题进行模拟和分析。计算流体力学的主要方法有有限差分法、质点法、间断有限元法等，一般是用在计算简单外形的高精度工程之上。

1.2计算流体力学的发展分析

计算流体力学与其他学科相同，都是建立在理论与实验的基础上，在该学科出现之前实际上就已经存在理论与实践两大流体力学。在计算流体力学出现以后，这些问题都得到了有效解决，所以可以将其看成是传统流体力学的一种补充。纵观计算流体力学的发展，实际上在19世纪末期就有学者提出了采用数值方法来解决流体力学问题，不过在当时计算机技术还没有出现，再加上当时人们所使用的各种计算工具还非常落后，所以该思想还停留在理论层面，直到计算机技术出现之前还没有得到有效印证，尤其是不适合用于解决当时比较复杂的流体力学问题[1]。自1946年计算机出现以后，该思路才得到了充分认证，电子计算机出现为这一思想创造了良好契机，集合了数值方法与计算机的模拟与计算，为在诸多复杂性的问题提供了全新的解决思路与方法。此后，在流体力学领域计算机持续发挥着重要的作用，在后续发展过程中相继出现了一大批研究论著，到目前计算机流体力学已经在许多领域中都发挥出了良好的应用效果。

2化学工程中计算流体力学的基本原理分析

计算流体力学主要通过数值计算，实现对化工几何空间中质量、热量和动量等计算，利用控制方程来研究化工中不同流体的流动规律和现象。通常来说，计算流体学的数值计算方法有很多，比如包括数值有限元法、数值差分法等都是比较常见的。对于计算流体力学的真实模拟是关键步骤，该过程主要是为了预测流体的流动，并且建立在这种方式之上，落实好流体流动的相关信息获取，通过这种方式可以有效对化学工程中的流体流动进行控制。在科技不断进步的过程中，市面上也相继出现了多种计算流体力学软件，这些软件的出现为工程师对流体进行准确计算提供了丰富的指导意见。

3计算流体力学在化学工程中的应用策略

3.1在搅拌中的应用

在化工中，搅拌是一种常见的化学反应，主要用于反应介质之间的流动性。然而化工搅拌是一个复杂的过程，采用传统的计算方法无法有效地解决许多问题。同时，在搅拌化学试剂的过程中，往往会出现搅拌不均匀的现象，同时，在湍流状态下，能量分布也可能不均匀。这进一步表明，如果仍采用传统的实验方法进行分析和检测，最终的结果必然会有很大的局限性，结果的准确性无法保证。利用计算流体力学可以有效地检验模拟过程中流体的形态，同时可以进一步验证能量、质量等数据。需要注意的是，流体的变化可能会受到容器形状、时间等因素影响，所以可以通过构建三维空间模型的方式进行，这也是未来科学发展的主要趋势之一。在时代不断进步的过程中，科技研发水平不断提升，出现了不少有助于三维计算形式的设备、仪器，如多普勒激光测速仪，在提高化工原料应用有效性方法发挥出了良好的效果，不过我们当前还应当认识到计算流体力学仍然存在许多不足的地方，在未来还需要不断对其进行改进。

3.2在热换器中的应用

在化学工程领域热换器属于常用的一种设备，它的用途主要是在与化工原料产生反应的时候，能够对温度所发生的变化进行控制。热换器在化学工程中的具体使用，在用途不同的情况下，还应当采用不同类型的热换器，所以也需要使用不同的计算流体力学方法。通常，如果要通过使用灌溉热交换器来增加传热速率，可以通过对流体湍流速度进行调整的方式实现，与灌溉热交换器不同的是，如果使用板式热换器，则应当通过增大流体接触面积的方式实现。诸如再沸器、冷却塔等设备来说，虽然它们有着更加复杂的热量交换形式，不过它们可以重复进行换热，在这样的情况下就可以有效提高换热的时间，最终可以达到一种良好的效果[2]。因此在实际计算流体力学期间，不仅需要分析温度的变化，同时还应当着重分析流体的接触面积、速度等要素，通过这种方式可以更加方便地计算出不同设备的热交换效果，同时还能够结合化工生产需求选择合适的设备。

3.3在精馏塔中的应用

在计算流体力学不断发展过程中，它的应用范围也越来越广泛，目前在对精馏塔内气体、液体两相流动和传质的研究中，已成为一种重要的计算工具，其可以通过数据模拟方式，准确将精馏塔内两相的流动状况计算出来。当前针对两相流体力学一般是采用经验关联式计算，针对气液两相流动的传质与传热，主要借助已有数据进行推测设计，在这样的情况下容易导致设计依据不充分，设计过程中存在许多不确定因素，很容易导致设计失败，严重可能会引发安全事故。国内有学者采用连续性方程以及N2S方程，利用较为简化的边界条件对填料塔中的气液两相流动进行模拟，在对速度分布进行求解的同时，与传质、传热方程联解求出浓度、湿度以及温度分布[3]。在流体力学以及传热、传质过程中，通过这种方式能够更加精准地将塔径计算出来。不过针对传质与传热过程，计算流体力学应用与实施工业应用仍然还有不小的差距，所以在未来还应当加强对其的研究。

3.4在化学反应工程中的应用

在化学反应工程中，影响产品和反应物化学反应速率的因素有很多，这些因素如压力、温度、设备等对化学反应的影响也是不同的，在实际的计算过程中，如果利用计算流体力学，在一定程度上能保障化学反应工程的有序进行。整体上，该方法可保障有效地获取实际反应中产生的相关数据和信息，保持反应的稳定性。当反应温度过高时，分子运动会非常剧烈，在这种情况下，整体的测试结果会产生一定的偏差，而只有通过正常的变化规律和运动轨迹将受到严重影响。由于模型中存在的数据只能够对正常状态进行反应，在温度过高的情况下所得出的结果与实际情况会存在很大差距[4]。经过对比分析，可采用有限元法计算相关数据。在使用CFD软件的过程中，通过有效的计算和工程反应器皿改良，可以预测反应器的压力、温度和速度。在这样的情况下化学反应工程中的聚合过程将变得更加清晰，以便能够更加直观地了解到反应过程，保障前期获取、计算数据等过程的有序进行，帮助实现化学反应中的相关参数的优化处理，提升反应工程效能。

3.5在流体喷射分布中的应用

以往在对喷射进行研究的过程中，主要是利用实验的过程来对喷嘴喷射的系数进行测量，一些文献中也对喷嘴的分散效果进行了研究，但是因为研究者对于喷嘴结构尺寸的选择有所不同，所以他们所获得的结果有着一定的差异。与此同时，在研究的过程中，主要是对喷嘴出口流动的测量来分析喷射器，并未对喷嘴内部浓度和流场的信息进行收集，这种研究方法仅仅能够从宏观角度上对喷嘴性能进行判定，无法将所获得的信息用来对喷嘴进行优化设计。近些年来随着喷嘴设计要求提升，对于其内部流场信息的获取非常必要，那么在喷嘴设计中应用计算流体力学，通过计算流体力学来对喷嘴的流道进行模拟，从而对其中的流场分布进行掌握，实现对整个结构的优化，同时也降低了喷嘴中存在的阻力，进一步提升喷射效率。另外，通过计算流体力学能够对燃气喷嘴进出口进行模拟，对流量系数进行改进，对比实验数据来进行优化设计后，使得最终的结果能够更加的接近实际数据。

3.6在膜分离过程中的应用

通过对计算流体力学的应用，能够实现浓度场和流场的可视化，将其应用到膜过程中，将操作参数有效的筛选出来，例如操作温度和错流速率等。膜过程传质优化主要是通过提升传质系统来把控膜污染和浓差极化。首先是脉动流，在二维格网填充流道应用计算流体力学，对抗污染的机理及力学规律进行模拟，通过研究发现，隔网填充流道电渗流有着十分明显的传质增强效果，如果处于稳态条件下滑移速率均匀，能够减少膜表面的浓度区域及停滞区域。如果处于非稳态条件下，滑移动速度的变化能够增强膜表面剪应力，对涡流进行引导，从而对边界层进行带动，有效的抑制膜污染。这种增强传质效应与震荡频率之间没有表现出正比例关系，达到共振频率最佳的传质增强效应。其次是两相流，通过研究发现，两相流能够形成膜表面的湍流，在多种膜组件中对于两相流的应用都得到了较好的效果，提升了抗污染能力，降低了浓差极化。在管式膜微滤环节中，应用两相流，并通过计算流体力学来对力学性质进行模拟，所获得的结果与实验过程所获得的数据相互符合，从而增强剪切效率，对表面污染沉积进行有效控制。

3.7薄膜蒸发器的应用

通过对计算流体力学的应用，让薄膜蒸发器中的场分布能够实现准确的预测，让薄膜蒸发器中的液膜流动和传质机理获得了更加深入的研究。通过有限差分法来对蒸发装置中的流体流动进行模拟，从而获得落体速度分布，通过计算能够看到，薄膜蒸发装置中的涡旋流动液体达到了总体的70%，通过利用多板刮板的方式能够进一步推动涡旋和液膜之间的物质交换，从而进一步提升整体的蒸发率，但工艺参数对流场产生的影响并未进行进一步的分析。通过分析软件来对薄膜蒸发装置中的流体流动进行模拟，其结果与计算结果相同，说明了计算流体力学在薄膜蒸发器中应用的可行性。在此研究基础上，根据料液测量的停留情况来对不同的料液采用相应的计算法，通过对薄膜蒸发装置中料液流动特点进行进一步的研究，对刮板转速进行深入的探讨，同时也包括料液粘度对流场所形成的影响。但在薄膜蒸发装置中，整个蒸发的过程较为复杂，基于计算流体力学的薄膜蒸发装置特性研究仍然十分少见。

3.8燃烧反应装置的应用

在燃烧系统中，对于计算流体力学的应用也十分广泛，通过计算流体力学能够对燃烧中的状态参数进行有效的模拟，从而加强对燃烧过程的理解，实现燃烧反应装置的优化，从而对污染排放进行有效的控制。

3.9生化反应装置的应用

在生化反应装置的模拟研究中，计算流体力学同样也是十分重要的研究手段，主要包括了气升式环流反应装置和搅拌式生化反应装置，通过对计算流体力学的应用能够对反应装置中的温度场、浓度场和速度场等信息进行获取，这对于研究生化反应装置中的优化、设计、混合传质有着重要的意义。

4结语

综上所述，流体在化学工程中是十分常见的一类物质，计算流体力学的方式进行模拟和分析是一种非常实用的办法，因此计算流体力学在化学工程中得到了广泛应用。不过该学科的发展时间尚短，相关技术还需要进一步得到完善，因此我国还应当加强研究，力求其能够在化工行业中更多领域发挥重要的作用。

参考文献：

[1]唐辉，伍津津.计算流体力学在组织工程中的应用进展[J].中国修复重建外科杂志，2021,35(06):776-780.

[2]王强.计算流体力学在化学工程中的应用研究[J].清洗世界，2020,36(11):28-29.

[3]王伟.计算流体力学在化学工程中的应用[J].黑龙江科技信息，2016(08):88.

[4]许超众，王嘉骏，冯连芳，等.计算流体力学在化学反应器模拟中的应用进展[J].计算机与应用化学，2015,32(06):641-645.

作者:李雪 单位:吉林省石油化工设计研究院