CFD技術在化工機械設計中的應用研究

張廷棟

摘要：CFD技術作為一種流體動力學技術，在化工機械設計、輕工業機械設計等諸多領域都有著廣泛的應用。運用CFD技術對化工機械進行設計，尤其是流體機械的設計，可以有效提高機械設計的精度和計算模型的有效性。本文重點探討了CFD技術相關內容，并對其在化工機械設計中的應用進行了相應分析。

關鍵詞：CFD技術；化工機械設計；應用

經濟全球化的逐漸推進與深入推動化工機械制造行業取得了快速的發展，使化工機械應用日益廣泛，并在化工生產中發揮著越來越重要的作用。同時，人們對化工產品質量與生產效率提出了越來越高的要求，促使化工機械制造企業必須積極改進現有生產技術。CFD技術憑借獨特的優勢與強大的流體力學計算功能而在化工機械設計中占據主導地位，研究其在化工機械設計中的應用具有重要意義。

1 CFD技術相關介紹

CFD技術，即計算流體力學，是計算機技術、流體力學與數理方法相互結合的產物，是一門新興的交叉學科，涵蓋了多種學科知識理論。從工程領域而言，CFD技術隸屬于計算機輔助工程中的一個重要分支，屬于流體力學領域一種先進的技術手段。在實際應用中，它通過對機械設備內部流場的分析來獲取機械結構設計方式對機械性能的影響，從而提高機械結構設計的科學性與合理性，提高機械整體性能。

CFD技術不僅涵蓋多門學科知識，而且該軟件中包括有多領域計算軟件，能夠同時滿足多個工程領域機械設計需求，如Phoenics，Flotrn等。這些軟件能夠計算出湍流、層流、對流等多種流場的物理模型和各種化學反應。不同軟件有各自適用的對象與具體場合，并能夠針對這一對象選用適合的數值方法對物理模型進行求解，進而制定出最佳設計方案。各軟件間數值可以方便地進行交換是CFD技術擁有的一個突出優勢，這使該技術可以大大簡化計算過程，減少勞動力投入。

2 CFD技術在化工機械設計中的應用

為深入了解CFD技術在化工機械設計中的具體應用與所發揮的作用，本文將以旋風分離器這一典型實例來對CFD技術的建模、數值求解與結果進行認真分析。在化工生產中，旋風分離器是作為一種除塵、分離設備存在，因而選取其內部的三維兩相流場進行CFD建模具有一定代表性。

2.1 構建機械模型

在CFD系列產品中，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，我們可以依據實際需要靈活選擇。鑒于本次要建立的是旋風分離器高效模型，因而本文將采用CAD軟件來完成這一模型建立。首先，依據幾何結構簡圖中的各個參數，包括高度76 cm，圓柱高度28.5 cm，圓柱直徑19 cm，內圓直徑6.4 cm，矩形長寬分別為9.5 cm與3.8 cm等，按照一定比例對模型各個參數進行設計。然后，采用網格技術對模型進行網格劃分。在CFD技術中提供的網格有多種類型，而適用于三維兩相流場模型的主要有四面體/六面體網格、鍥形網格、分塊網格與混合網格等。考慮到網格劃分屬于前期工作，其劃分質量好壞直接影響著模型模擬成果，且網格數目劃分不宜過多，所以為保證模型網格劃分的質量，宜選用與旋風分離器流體特征相適應的網格類型。本文選用分塊網格劃分技術，先將計算域分成5個子域分別劃分網格，以使網格分布與模型幾何形狀相一致，再通過控制網格節點進而控制網格分布疏密，使之形成非均勻的六面體網格，保證滿足模型計算要求。

2.2 數值求解

模型建立好之后就需要對模型進行數值求解，本文采用迭代法進行數值求解。在求解之前，需要選取和設置符合旋風分離器實際流場特征的計算模型（三維兩相流模型）、運行條件以及物料屬性。在旋風分離器中，其內流場為向異性突出的三維強旋轉湍流，采用雷諾應力湍流模型作為計算模型，對于兩相流模型的計算則采用離散相模型中的隨機軌道模型。運行條件的設置主要指入口氣流速度與方向，在這里將氣流速度設置為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，含塵氣體含塵量設置為標準含塵量9.5g/m³。

當計算模型、運行條件與物料屬性全部設置好之后，采用非交錯網格中的SIM算法對模型進行數值求解計算，對氣相流場進行三維數值模擬，計算出數值收斂時的穩定流場，在此基礎上進行固相模擬求解，同時輔以多種差分格式，可以進一步提高計算結果的準確性。CFD模型數值求解為我們提供了多種參量分布矢量圖，使我們可以對任一點分量進行觀察與分析，如壓強分布、速度場分布等。

2.3 結果分析

旋風分離器的內部流場是非常復雜的，以往在該機械設計中大多采用的是實驗法對其進行測量設計，但這種方法很難保證測量的周全性，因而也無法保證機械設計的質量。而CFD技術通過對機械內部流場的三維數值模擬，可以實現對機械各參數的直觀準確測量，實現對數值求解的精確計算，并能夠簡化計算流程，從而大大提高機械設計的合理性與高效性。從這一應用實例中可以了解到，CFD技術功能強大，分析能力強，計算軟件種類多，適用范圍廣，采用該技術對化工機械進行設計可以較好地滿足設計要求。

3 總結

根據上文對CFD技術在旋風分離器結構設計中的應用分析可知，提供有多種計算軟件的、分析功能強大的CFD技術在化工機械設計中的應用有利于優化機械內部設計，提高模型計算的準確性與可靠性，提高機械工作性能與實用性，對推動化工等領域發展具有重要的意義。可見，CFD技術在化工機械設計領域擁有十分廣闊的發展前景。