CFD在若干工業(yè)裝備優(yōu)化設計中的應用.pdf

1、計算流體力學（簡稱CFD）是通過計算機進行數(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。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理理解，以建立更完善的理論和數(shù)學模型;另一方面，通過CFD模擬可為實驗提供指導，為設計提供參考，通過調(diào)整參數(shù)，得到相應過程在工程應用中的最佳設計參數(shù)。隨著計算機硬件技術的發(fā)展和數(shù)值計算方法的日趨成熟，CFD技術的工程應用也越來越廣泛。

2、　　 本文從工程應用角度出發(fā)，以計算流體力學仿真技術為主要研究手段，并輔以部分實驗驗證，對兩個工程領域的幾個現(xiàn)有裝備進行了性能評估和優(yōu)化設計，具體研究內(nèi)容有:
　　 (1)響應國家“減排”號召，以當前的環(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，對脫硝裝備進行了性能評估與優(yōu)化設計。
　　 SCR煙氣脫硝的技術關鍵是氨氣與煙氣的混合氣體在進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行了CFD建模與仿真，結合部分實驗的定性驗證，研究了現(xiàn)有裝置的關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，并提出了導流板、噴氨格柵、混合格柵以及整流器等部件的優(yōu)化設計方案。主要工作有:
　　 ●對當前300MW火電機組脫硝裝置進行建模與性能評估，確定了關鍵組件的作用;針對現(xiàn)有裝置的速度分

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

5、，分別進行了噴氨格柵優(yōu)化設計和混合格柵優(yōu)化設計，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)中應用最廣泛的發(fā)酵罐為研究對象，對反應器進行了裝備性能評估與結構優(yōu)化，建立低成本、高效率的反應器。
　　 表征反應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。反應器的幾何結構、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反應器為研究對象，以氣含率和循環(huán)液速為評價指標，對該裝置在當前操作條件下的性能進行了CFD建模與仿真評估，并結合實驗驗證提出了關鍵部件如內(nèi)簡直徑和噴咀的最優(yōu)設計方案。主要工作有:
　　 ●從節(jié)省計算時間，驗證設置角度出發(fā)，開展了反應器的二維建模與仿真。通過VOF模型捕獲當前系統(tǒng)在對應通氣量下的氣泡，分析氣泡尺寸與分布，建立反應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，對反應器進行二維性能評估，驗證仿真設置，為后來開展的三維仿真研究奠定基礎。
　　 ●從實際應用角度出發(fā)，通過反應器的三維仿真與建模來獲取更多更準確的流動信息。采用歐拉模型對當前工業(yè)使用的兩噴咀結構環(huán)隙氣升式反應器進行了三維建模與仿真;研究了內(nèi)筒直徑對反應器性能的影響，結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