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

1、計(jì)算流體力學(xué)（簡(jiǎn)稱(chēng)CFD）是通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析流體流動(dòng)和傳質(zhì)傳熱等物理現(xiàn)象的技術(shù)。它兼有理論性和實(shí)踐性雙重特點(diǎn):一方面，通過(guò)CFD模擬可顯示流體流動(dòng)過(guò)程中發(fā)生的現(xiàn)象，加深研究人員對(duì)問(wèn)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(guò)CFD模擬可為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)，為設(shè)計(jì)提供參考，通過(guò)調(diào)整參數(shù)，得到相應(yīng)過(guò)程在工程應(yīng)用中的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值計(jì)算方法的日趨成熟，CFD技術(shù)的工程應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

2、　　 本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)，以計(jì)算流體力學(xué)仿真技術(shù)為主要研究手段，并輔以部分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)兩個(gè)工程領(lǐng)域的幾個(gè)現(xiàn)有裝備進(jìn)行了性能評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體研究?jī)?nèi)容有:
　　 (1)響應(yīng)國(guó)家“減排”號(hào)召，以當(dāng)前的環(huán)境污染大戶(hù)-燃煤電站-的選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)脫硝裝備進(jìn)行了性能評(píng)估與優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 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(gè)300MW和660MW的火電機(jī)組脫硝系統(tǒng)為具體研究對(duì)象，對(duì)還原劑氨和煙氣的混合過(guò)程進(jìn)行了CFD建模與仿真，結(jié)合部分實(shí)驗(yàn)的定性驗(yàn)證，研究了現(xiàn)有裝置的關(guān)鍵部件對(duì)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(jì)方案。主要工作有:
　　 ●對(duì)當(dāng)前300MW火電機(jī)組脫硝裝置進(jìn)行建模與性能評(píng)估，確定了關(guān)鍵組件的作用;針對(duì)現(xiàn)有裝置的速度分

4、布不均勻問(wèn)題，開(kāi)展了導(dǎo)流板的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(zhǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)導(dǎo)流板3;針對(duì)催化劑磨損問(wèn)題，開(kāi)展了整流器優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定該裝備在當(dāng)前工況下的整流器最小厚度。
　　 ●對(duì)當(dāng)前660MW火電機(jī)組脫硝裝置進(jìn)行建模與性能評(píng)估，指明裝置改進(jìn)方向;針對(duì)現(xiàn)有裝置的速度分布不均勻問(wèn)題，開(kāi)展了導(dǎo)流板的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(duì)現(xiàn)有裝置的濃度分布不均勻問(wèn)題

5、，分別進(jìn)行了噴氨格柵優(yōu)化設(shè)計(jì)和混合格柵優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(duì)象，對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行了裝備性能評(píng)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(huì)對(duì)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(duì)象，以氣含率和循環(huán)液速為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)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(píng)估，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提出了關(guān)鍵部件如內(nèi)簡(jiǎn)直徑和噴咀的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。主要工作有:
　　 ●從節(jié)省計(jì)算時(shí)間，驗(yàn)證設(shè)置角度出發(fā)，開(kāi)展了反應(yīng)器的二維建模與仿真。通過(guò)VOF模型捕獲當(dāng)前系統(tǒng)在對(duì)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(guò)歐拉模型

7、確定網(wǎng)格類(lèi)型和尺寸，并基于前面建立的局部平均氣泡直徑分布，對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行二維性能評(píng)估，驗(yàn)證仿真設(shè)置，為后來(lái)開(kāi)展的三維仿真研究奠定基礎(chǔ)。
　　 ●從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，通過(guò)反應(yīng)器的三維仿真與建模來(lái)獲取更多更準(zhǔn)確的流動(dòng)信息。采用歐拉模型對(duì)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(duì)反應(yīng)器性能的影響，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證確定了最優(yōu)內(nèi)外簡(jiǎn)直徑比;就氣體分布器的噴咀個(gè)數(shù)對(duì)氣含率和循環(huán)液速的影響開(kāi)展了仿真和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)