CFD在若干工業(yè)裝備優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用.pdf

1、計算流體力學(xué)（簡稱CFD）是通過計算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析流體流動和傳質(zhì)傳熱等物理現(xiàn)象的技術(shù)。它兼有理論性和實踐性雙重特點:一方面，通過CFD模擬可顯示流體流動過程中發(fā)生的現(xiàn)象，加深研究人員對問題的機(jī)理理解，以建立更完善的理論和數(shù)學(xué)模型;另一方面，通過CFD模擬可為實驗提供指導(dǎo)，為設(shè)計提供參考，通過調(diào)整參數(shù)，得到相應(yīng)過程在工程應(yīng)用中的最佳設(shè)計參數(shù)。隨著計算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值計算方法的日趨成熟，CFD技術(shù)的工程應(yīng)用也越來越廣泛。

2、　　 本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)，以計算流體力學(xué)仿真技術(shù)為主要研究手段，并輔以部分實驗驗證，對兩個工程領(lǐng)域的幾個現(xiàn)有裝備進(jìn)行了性能評估和優(yōu)化設(shè)計，具體研究內(nèi)容有:
　　 (1)響應(yīng)國家“減排”號召，以當(dāng)前的環(huán)境污染大戶-燃煤電站-的選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝系統(tǒng)為研究對象，對脫硝裝備進(jìn)行了性能評估與優(yōu)化設(shè)計。
　　 SCR煙氣脫硝的技術(shù)關(guān)鍵是氨氣與煙氣的混合氣體在進(jìn)入催化劑層前要濃度分布盡可能均勻、速度分布盡可能均勻

3、且速度矢量方向盡可能垂直于催化劑層。本文分別以一個300MW和660MW的火電機(jī)組脫硝系統(tǒng)為具體研究對象，對還原劑氨和煙氣的混合過程進(jìn)行了CFD建模與仿真，結(jié)合部分實驗的定性驗證，研究了現(xiàn)有裝置的關(guān)鍵部件對催化劑入口處的煙氣速度分布和濃度分布的影響，并提出了導(dǎo)流板、噴氨格柵、混合格柵以及整流器等部件的優(yōu)化設(shè)計方案。主要工作有:
　　 ●對當(dāng)前300MW火電機(jī)組脫硝裝置進(jìn)行建模與性能評估，確定了關(guān)鍵組件的作用;針對現(xiàn)有裝置的速度分

4、布不均勻問題，開展了導(dǎo)流板的優(yōu)化設(shè)計，包括裝置變徑處增加一組導(dǎo)流板1和提出的變半徑、變弧長優(yōu)化設(shè)計導(dǎo)流板3;針對催化劑磨損問題，開展了整流器優(yōu)化設(shè)計，確定該裝備在當(dāng)前工況下的整流器最小厚度。
　　 ●對當(dāng)前660MW火電機(jī)組脫硝裝置進(jìn)行建模與性能評估，指明裝置改進(jìn)方向;針對現(xiàn)有裝置的速度分布不均勻問題，開展了導(dǎo)流板的優(yōu)化設(shè)計，包括裝置變徑處增加一組導(dǎo)流板5、重置導(dǎo)流板1的位置和調(diào)整導(dǎo)流板3的布局;針對現(xiàn)有裝置的濃度分布不均勻問題

5、，分別進(jìn)行了噴氨格柵優(yōu)化設(shè)計和混合格柵優(yōu)化設(shè)計，提出了在噴氨咀出口處加裝錐形混合器、將圓柱體混合格柵優(yōu)化成V形柱體混合格柵等。
　　 (2)從提高工業(yè)效率角度出發(fā)，以目前制藥系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的發(fā)酵罐為研究對象，對反應(yīng)器進(jìn)行了裝備性能評估與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，建立低成本、高效率的反應(yīng)器。
　　 表征反應(yīng)器性能的主要特性參數(shù)有氣含率、循環(huán)液速、氣泡尺寸與分布、體積傳質(zhì)系數(shù)等。反應(yīng)器的幾何結(jié)構(gòu)、操作變量以及流體的物性參數(shù)都會對上述參數(shù)產(chǎn)

6、生影響。本文以某制藥公司2-KGA生產(chǎn)的200m3發(fā)酵罐的1∶12反應(yīng)器為研究對象，以氣含率和循環(huán)液速為評價指標(biāo)，對該裝置在當(dāng)前操作條件下的性能進(jìn)行了CFD建模與仿真評估，并結(jié)合實驗驗證提出了關(guān)鍵部件如內(nèi)簡直徑和噴咀的最優(yōu)設(shè)計方案。主要工作有:
　　 ●從節(jié)省計算時間，驗證設(shè)置角度出發(fā)，開展了反應(yīng)器的二維建模與仿真。通過VOF模型捕獲當(dāng)前系統(tǒng)在對應(yīng)通氣量下的氣泡，分析氣泡尺寸與分布，建立反應(yīng)器的局部平均氣泡直徑分布;通過歐拉模型

7、確定網(wǎng)格類型和尺寸，并基于前面建立的局部平均氣泡直徑分布，對反應(yīng)器進(jìn)行二維性能評估，驗證仿真設(shè)置，為后來開展的三維仿真研究奠定基礎(chǔ)。
　　 ●從實際應(yīng)用角度出發(fā)，通過反應(yīng)器的三維仿真與建模來獲取更多更準(zhǔn)確的流動信息。采用歐拉模型對當(dāng)前工業(yè)使用的兩噴咀結(jié)構(gòu)環(huán)隙氣升式反應(yīng)器進(jìn)行了三維建模與仿真;研究了內(nèi)筒直徑對反應(yīng)器性能的影響，結(jié)合實驗驗證確定了最優(yōu)內(nèi)外簡直徑比;就氣體分布器的噴咀個數(shù)對氣含率和循環(huán)液速的影響開展了仿真和實驗研究，結(jié)