張廷棟

摘要：CFD技術(shù)作為一種流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)，在化工機(jī)械設(shè)計(jì)、輕工業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)化工機(jī)械進(jìn)行設(shè)計(jì)，尤其是流體機(jī)械的設(shè)計(jì)，可以有效提高機(jī)械設(shè)計(jì)的精度和計(jì)算模型的有效性。本文重點(diǎn)探討了CFD技術(shù)相關(guān)內(nèi)容，并對(duì)其在化工機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了相應(yīng)分析。

關(guān)鍵詞：CFD技術(shù)；化工機(jī)械設(shè)計(jì)；應(yīng)用

經(jīng)濟(jì)全球化的逐漸推進(jìn)與深入推動(dòng)化工機(jī)械制造行業(yè)取得了快速的發(fā)展，使化工機(jī)械應(yīng)用日益廣泛，并在化工生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用。同時(shí)，人們對(duì)化工產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率提出了越來越高的要求，促使化工機(jī)械制造企業(yè)必須積極改進(jìn)現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)。CFD技術(shù)憑借獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與強(qiáng)大的流體力學(xué)計(jì)算功能而在化工機(jī)械設(shè)計(jì)中占據(jù)主導(dǎo)地位，研究其在化工機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用具有重要意義。

1 CFD技術(shù)相關(guān)介紹

CFD技術(shù)，即計(jì)算流體力學(xué)，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、流體力學(xué)與數(shù)理方法相互結(jié)合的產(chǎn)物，是一門新興的交叉學(xué)科，涵蓋了多種學(xué)科知識(shí)理論。從工程領(lǐng)域而言，CFD技術(shù)隸屬于計(jì)算機(jī)輔助工程中的一個(gè)重要分支，屬于流體力學(xué)領(lǐng)域一種先進(jìn)的技術(shù)手段。在實(shí)際應(yīng)用中，它通過對(duì)機(jī)械設(shè)備內(nèi)部流場的分析來獲取機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式對(duì)機(jī)械性能的影響，從而提高機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性，提高機(jī)械整體性能。

CFD技術(shù)不僅涵蓋多門學(xué)科知識(shí)，而且該軟件中包括有多領(lǐng)域計(jì)算軟件，能夠同時(shí)滿足多個(gè)工程領(lǐng)域機(jī)械設(shè)計(jì)需求，如Phoenics，F(xiàn)lotrn等。這些軟件能夠計(jì)算出湍流、層流、對(duì)流等多種流場的物理模型和各種化學(xué)反應(yīng)。不同軟件有各自適用的對(duì)象與具體場合，并能夠針對(duì)這一對(duì)象選用適合的數(shù)值方法對(duì)物理模型進(jìn)行求解，進(jìn)而制定出最佳設(shè)計(jì)方案。各軟件間數(shù)值可以方便地進(jìn)行交換是CFD技術(shù)擁有的一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)，這使該技術(shù)可以大大簡化計(jì)算過程，減少勞動(dòng)力投入。

2 CFD技術(shù)在化工機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

為深入了解CFD技術(shù)在化工機(jī)械設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用與所發(fā)揮的作用，本文將以旋風(fēng)分離器這一典型實(shí)例來對(duì)CFD技術(shù)的建模、數(shù)值求解與結(jié)果進(jìn)行認(rèn)真分析。在化工生產(chǎn)中，旋風(fēng)分離器是作為一種除塵、分離設(shè)備存在，因而選取其內(nèi)部的三維兩相流場進(jìn)行CFD建模具有一定代表性。

2.1 構(gòu)建機(jī)械模型

在CFD系列產(chǎn)品中，具備幾何建模功能的軟件有多種，人們較為熟悉的有Auto CAD，Solid、Gambit等，我們可以依據(jù)實(shí)際需要靈活選擇。鑒于本次要建立的是旋風(fēng)分離器高效模型，因而本文將采用CAD軟件來完成這一模型建立。首先，依據(jù)幾何結(jié)構(gòu)簡圖中的各個(gè)參數(shù)，包括高度76 cm，圓柱高度28.5 cm，圓柱直徑19 cm，內(nèi)圓直徑6.4 cm，矩形長寬分別為9.5 cm與3.8 cm等，按照一定比例對(duì)模型各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。然后，采用網(wǎng)格技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在CFD技術(shù)中提供的網(wǎng)格有多種類型，而適用于三維兩相流場模型的主要有四面體/六面體網(wǎng)格、鍥形網(wǎng)格、分塊網(wǎng)格與混合網(wǎng)格等?？紤]到網(wǎng)格劃分屬于前期工作，其劃分質(zhì)量好壞直接影響著模型模擬成果，且網(wǎng)格數(shù)目劃分不宜過多，所以為保證模型網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，宜選用與旋風(fēng)分離器流體特征相適應(yīng)的網(wǎng)格類型。本文選用分塊網(wǎng)格劃分技術(shù)，先將計(jì)算域分成5個(gè)子域分別劃分網(wǎng)格，以使網(wǎng)格分布與模型幾何形狀相一致，再通過控制網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)而控制網(wǎng)格分布疏密，使之形成非均勻的六面體網(wǎng)格，保證滿足模型計(jì)算要求。

2.2 數(shù)值求解

模型建立好之后就需要對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值求解，本文采用迭代法進(jìn)行數(shù)值求解。在求解之前，需要選取和設(shè)置符合旋風(fēng)分離器實(shí)際流場特征的計(jì)算模型（三維兩相流模型）、運(yùn)行條件以及物料屬性。在旋風(fēng)分離器中，其內(nèi)流場為向異性突出的三維強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流，采用雷諾應(yīng)力湍流模型作為計(jì)算模型，對(duì)于兩相流模型的計(jì)算則采用離散相模型中的隨機(jī)軌道模型。運(yùn)行條件的設(shè)置主要指入口氣流速度與方向，在這里將氣流速度設(shè)置為18m/s，方向垂直于截面。物料屬性以滑石粉為例，其密度為2.75×10³kg/m³，含塵氣體含塵量設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)含塵量9.5g/m³。

當(dāng)計(jì)算模型、運(yùn)行條件與物料屬性全部設(shè)置好之后，采用非交錯(cuò)網(wǎng)格中的SIM算法對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值求解計(jì)算，對(duì)氣相流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬，計(jì)算出數(shù)值收斂時(shí)的穩(wěn)定流場，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行固相模擬求解，同時(shí)輔以多種差分格式，可以進(jìn)一步提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。CFD模型數(shù)值求解為我們提供了多種參量分布矢量圖，使我們可以對(duì)任一點(diǎn)分量進(jìn)行觀察與分析，如壓強(qiáng)分布、速度場分布等。

2.3 結(jié)果分析

旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流場是非常復(fù)雜的，以往在該機(jī)械設(shè)計(jì)中大多采用的是實(shí)驗(yàn)法對(duì)其進(jìn)行測量設(shè)計(jì)，但這種方法很難保證測量的周全性，因而也無法保證機(jī)械設(shè)計(jì)的質(zhì)量。而CFD技術(shù)通過對(duì)機(jī)械內(nèi)部流場的三維數(shù)值模擬，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械各參數(shù)的直觀準(zhǔn)確測量，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)值求解的精確計(jì)算，并能夠簡化計(jì)算流程，從而大大提高機(jī)械設(shè)計(jì)的合理性與高效性。從這一應(yīng)用實(shí)例中可以了解到，CFD技術(shù)功能強(qiáng)大，分析能力強(qiáng)，計(jì)算軟件種類多，適用范圍廣，采用該技術(shù)對(duì)化工機(jī)械進(jìn)行設(shè)計(jì)可以較好地滿足設(shè)計(jì)要求。

3 總結(jié)

根據(jù)上文對(duì)CFD技術(shù)在旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析可知，提供有多種計(jì)算軟件的、分析功能強(qiáng)大的CFD技術(shù)在化工機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用有利于優(yōu)化機(jī)械內(nèi)部設(shè)計(jì)，提高模型計(jì)算的準(zhǔn)確性與可靠性，提高機(jī)械工作性能與實(shí)用性，對(duì)推動(dòng)化工等領(lǐng)域發(fā)展具有重要的意義?？梢姡珻FD技術(shù)在化工機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域擁有十分廣闊的發(fā)展前景。