CFD技术在化工机械设计的应用

CFD技术在化工机械设计的应用

摘要:在化工生产过程中,化工机械设计是重要的组成部分,通过机械设计制造出高性能的化工生产设备,从而提高化工企业生产效率和质量。我国正在加大化工机械设计的投入力度,积极应用先进的设计技术,如CFD技术,利用CFD技术根据化工生产需求选用合适的材料,有助于增强化工机械的生产能力。文章围绕CFD技术在化工机械设计中的应用展开讨论,为化工机械设计提供参考依据。

关键词:化工机械;数值模拟;计算机流体力学;旋风分离器

0引言

在社会和经济发展过程中,科学技术发展速度不断加快,在化工机械设计中积极应用CFD技术,不仅使化工机械规模不断扩大、功能不断增加,还能设计出不同种类的化工设备,满足化工企业的生产需求。由于化工生产具有一定的特殊性,多数生产需要在密闭的环境中进行,提高化工机械的密闭性,使化工生产处于安全稳定的环境,需要先进的机械设计技术,而CFD技术满足化工机械设备的设计需求。

1计算机流体力学简介

CFD技术全称为计算机流体动力学,是计算机技术、数理方法以及流体力学共同形成的新型技术。作为计算机辅助工程重要的组成部分,在流体力学领域广泛应用CFD技术,通过CFD技术模拟机械设备内部形成的流体环境,以便分析流体力学对机械设备产生的影响,针对不利于因素进行深入的研究,从而降低不利因素对机械设备内部造成的破坏。使用计算机模拟机械设备内部流体环境时,根据流体环境的变化,可以选用多样化的计算机软件,如FLOTEAN、FLUENT以及CFX等。在模拟机械设备内部环境过程中,通过CFD技术计算模拟环境中产生的未知量,采用流体计算方法进行迭代计算,完成计算后会直观的呈现出模型中流体环境的状态,有助于用户掌握机械设备内部真实的环境。现阶段CFD技术应用在化工机械设计中,由于缺少计算流体环境的软件,需要掌握机械设备内部处理物料的过程产生的参数,包括速度、压强、浓度以及温度等,以便快速分析机械设备内部的环境,在应用CFD技术时模拟出机械设备内部产生的变化,包括气态转为固态、液态转为固态以及气态转为液态等,可以使设计内容满足机械设备的生产需求,并且还能优化和完善化工机械设备。

2CFD技术在化工机械设计中的应用

CFD技术在化工机械设计中的应用过程中,使用CFD技术设计旋风分离器,旋风分离器在石油、矿山等领域应用较为广泛,在现代化工生产过程中,使用旋风分离器进行分离、除尘等一系列的化工生产,有效提高化工生产效率。但是旋风分离器在进行化工生产时,由于机械内部会形成多相流环境,每个环节的生产都会受到多相流环境的影响,导致气力输送、流态化等过程出现不同的问题。为有效解决旋风分离器化工生产出现的问题,应用CFD技术模拟旋风分离器内部产生的流体环境,通过模拟获得气态、固态等状态下的数值,以便优化和完善旋风分离器机械设计,提高旋风分离器的生产能力。

2.1建立模型

建立旋风分离器模型,需要按照以下流程进行:第一,为旋风分离器建立几何模型,在建立模型时,采用Stairmand软件建立高效型旋风分离器模型,模型的几何参数依次设定为a=95mm、b=38mm以及S=95mm;第二,对建立的模型进行网格划分。网格种类包括四面体网格、楔形网格以及六面体网格等,根据化工机械内部流体环境的特征,需要选用合适的网格。随后进行网格划分,网格划分时采用分块网格技术,在模型中划分出5个子区域,每个区域具有几何形状特征,以便符合模型计算要求;第三,设置边界条件。在模型的入口处选用velocity-in⁃let边界类型,在排气口处选用outflow边界类型,壁面处选用wall边界类型。

2.2数值求解

在数值求解过程中,采用数值迭代求解方法进行数值求解,在求解的同时还应参考旋风分离器实际流体环境特征,以及内部投放物料的属性等。在数值求解时应按照以下要求进行:(1)旋风分离器内部流体环境,具有三维强旋转湍流的特点,同时体现出各向异性,需要采用雷诺应力湍流模型,使模拟的环境更加贴近旋风分离器的内部环境。在旋风分离器的内部环境中,主要以气、固两相流场状态为主,还应配合使用耦合随机轨道模型进行数值计算;(2)模型内流体环境运行所需条件,将入口气流速度设定为每秒20米,并与接口截面保持垂直关系;(3)气相流体环境中,需要注入常温下状态的空气。在固相环境中,使用滑石粉作为颗粒,要求颗粒的孔径为45um,滑石粉密度为2750kg/m3。若固相环境中颗粒按照Rosin-Ramm-ler形态分布,需要选取颗粒直径的中间值,作为颗粒在固相空间内的比例含量;(4)在求解数值过程中,若流体环境中的压力和速度成正比关系,可以采用非交错网格SIMPLEC算法进行计算,同时配合使用QUICK格式或者PRESTO压力插补格式,可以提高数值求解的准确率。在求解数值时,应按照三维数值模型的方法模拟旋风分离器内部气相流场,基于内部气相流场,采用拉格朗日坐标系方法分析颗粒在固相流场内的运动状态,以便计算出精准的模拟数值。

2.3结果分析与讨论

在旋风分离器内部,流体环境无法处于稳定的状态,采用传统的实验方法无法掌握流体环境的状态,采用数值模拟方法,在掌握每个位置的信息的同时,还能模拟出不同区域的物理状态。

2.3.1速度场分布

在旋风分离器内部形成圆柱分离段,获取分离段截面的速度矢量图,通过截面投影可以判断平面内速度分量的变化。在分离器内部流体呈现旋转状态,而外部流体方向与截面内方向相同,证明在分离器的内部和外部,形成的相同方向的旋转状态。在旋风分离器中心轴线位置,通过分析纵截面的速度变化,包括切向速度、轴向速度等,都与分离器内强旋流速度相同。此外在分界面的流场内部,最大切向速度形成的分界面,是以圆柱面形式出现,在原柱面内、外形成合涡结构。在出流体的外部,部分区域流向朝下,在内部区域流向朝上,在轴向速度为零的临界点,会形成零轴速度包络面,在包络面内速度矢量方向的变化,会使分界面发生变化。

2.3.2压强分布

对旋风分离器的中心轴线压强分布情况进行分析,在中心轴线的纵截面上,流体环境内的静压强、动压强以及总压强,会形成具有对称性特征的分布云图。在云图内参照数据标志条,有助于直观的掌握不同区域的压强分布状态。通过掌握不同区域的压强分布状态,可以了解压强变化幅度以及能量损失情况。压强速度云图包括切向速度云图以及轴向速度云图,压强分布云图包括静压分布云图、动压分布云图以及总压分布云图。

2.3.3颗粒轨迹的追踪

追踪流体环境中的颗粒轨迹,在模拟的环境中分析颗粒的运动状态,有助于掌握旋风分离器运行情况,通过掌握运行情况,可以了解旋风分离器气相和固相出现分离的机理。两种直径颗粒在旋风分离器内部运行时,1.5um和3.9um直径颗粒运动轨迹存在较大的差异性,通过三个不同位置入射到分离器内,在左上角、中间以及右下角,根据运动轨迹的变化,证明不同粒径的颗粒运动呈现随机性特点,改变入射角度会使颗粒的运动轨迹发生较大的变化,而且1.5um粒径受到湍动的作用后,会形成随机的运动轨迹。在数值模拟期间,颗粒轨迹出现上灰环、短路流以及二次返混等情况,导致旋风分离器内部无法正常的进行气相和固相分离。

3结语

综上所述,在化工机械设计中,本文以旋风分离器为例应用CFD技术,通过模拟分离器内部的流体环境,可以直观的分析速度、压强、浓度以及温度等在流体环境中的状态,以便获取精准的数值,从而优化和完善旋风分离器,提高旋风分离器的化工生产能力。借助CFD技术模拟分离器的内部环境,使获得的数值更加准确,有效提高设计的真实性和稳定性,为化工机械设计奠定坚实的基础。

参考文献:

[1]李志川,肖钢,张理,等.CFD技术在潮流能发电装置设计中的应用[J].应用能源技术,2013,(1):36-39.

[2]严庆生.CFD方法在流体机械设计中的应用[J].电子制作,2013,(20):36-36.

[3]魏新利,张海红,王定标.旋风分离器流场的数值计算方法研究[J].郑州大学学报(工学版),2005,(1):57-60.

作者:王军 单位:浙江省天正设计工程有限公司