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計算流體力學(xué)是流體力學(xué)的一個重要組成部分，其被廣泛的應(yīng)用在化學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域中，以解決化學(xué)工程中的流體力學(xué)等問題。與化學(xué)實驗研究相比較，計算流體力學(xué)在化學(xué)計算中具有投資低、效率高、資料齊全等特點，同時也可以真實的模擬流體力學(xué)的流動過程，計算流體力學(xué)已成為了研究化工領(lǐng)域中流體流動和傳質(zhì)的重要工具。

一、計算流體力學(xué)在化學(xué)工程中的基本原理

計算流體力學(xué)是通過數(shù)值計算方法來求解化工中幾何形狀空間內(nèi)的動量、熱量、質(zhì)量方程等流動主控方程，從而發(fā)現(xiàn)化工領(lǐng)域中各種流體的流動現(xiàn)象和規(guī)律，其主要以化學(xué)方程式中的動量守恒定律、能量守恒定律及質(zhì)量守恒方程為基礎(chǔ)。一般情況下，計算流體力學(xué)的數(shù)值計算方法主要包括數(shù)值差分法、數(shù)值有限元法及數(shù)值有限體積法，其也是一門多門學(xué)科交叉的科目，計算流體力學(xué)不僅要掌握流體力學(xué)的知識，也要掌握計算幾何學(xué)和數(shù)值分析等學(xué)科知識，其涉及面廣。針對計算流體力學(xué)的真實模擬，其主要目的是對流體流動進行預(yù)測，以獲得流體流動的信息，從而有效控制化工領(lǐng)域中的流體流動。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，市場上也出現(xiàn)了計算流體力學(xué)軟件，其具有對流場進行分析、計算、預(yù)測的功能，計算流體力學(xué)軟件操作簡單，界面直觀形象，有利于化學(xué)工程師對流體進行準(zhǔn)確的計算。

二、計算流體力學(xué)CFD在化學(xué)工程領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

1.CFD在攪拌中的應(yīng)用分析

由于攪拌槽內(nèi)的流場的流動具有復(fù)雜性，目前對攪拌槽等混合設(shè)備的設(shè)計和經(jīng)驗成分也采用理論計算的方式，在化工領(lǐng)域中，化工工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器存在不均勻性等特點，不均勻性隨規(guī)模擴大而加重，因此，對攪拌槽內(nèi)部流場進行研究是非常有必要的。雖然許多化學(xué)家對化工領(lǐng)域中的攪拌機槽內(nèi)的流場進行了分析研究，如Harvey等人采用二維模擬計算攪拌槽內(nèi)流場的流體，但隨著技術(shù)的不斷改革與發(fā)展，計算流體力學(xué)的引進，改變了以二維模擬的計算方式，計算流體力學(xué)的方法不僅可以節(jié)約化工研究成本，采用實驗手段不能獲得的數(shù)據(jù)，計算流體力學(xué)方法也可以獲得。Sun等人利用計算流體力學(xué)中的湍流模型計算了攪拌槽內(nèi)的氣液兩相流動，并且對其進行了三維模擬，通過實驗研究表明，計算流體力學(xué)的數(shù)值模擬能有效的計算攪拌器上部的氣體部分，但是，CFD數(shù)值模擬也存在一定的缺陷，不能有效模擬攪拌器底部區(qū)域。計算流體力學(xué)CFD與多普勒激光測速儀LDV有效結(jié)合，可以對攪拌裝置能更深入的研究，其主要原因是多普勒激光測速儀測量的數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確驗證計算流體力學(xué)CFD計算的結(jié)果，同時多普勒激光測速儀測定特定點的速度也可以作為計算流體力學(xué)計算的參考條件。

2.CFD在化學(xué)工程換熱器中的應(yīng)用分析

換熱器是化學(xué)工程中使用最多的設(shè)備，通過計算流體力學(xué)的計算方式，不僅可以精確、詳細(xì)的測量換熱設(shè)備內(nèi)流場的流動，也可以預(yù)測換熱器的性能，經(jīng)濟可靠的換熱器對化工工業(yè)具有重要作用。對于化工中的管殼式換熱設(shè)備，其內(nèi)部的幾何形狀設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用計算流體力學(xué)模擬管殼式換熱設(shè)備的殼側(cè)流場，進而充分了解管殼式換熱設(shè)備的殼側(cè)在瞬間變化中的溫度場、速度場，CFD的應(yīng)用有利于分析研究換熱器的基本原理和結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

3.CFD在化學(xué)反應(yīng)工程中的應(yīng)用研究

針對高溫的太陽能化學(xué)反應(yīng)器，溫度、壓力場和計算速度等數(shù)據(jù)指標(biāo)等可以從CFD模擬優(yōu)化中獲取，包括粒子的運動軌跡，但當(dāng)溫度大于1500k和輻射強度超過3000KW/m2的狀態(tài)時，這些數(shù)據(jù)是無法獲取的。學(xué)者采用有限元法的計算機流體力學(xué)軟件的計算方式，對氧化燃燒化學(xué)反應(yīng)中的催化劑進行模擬，最后，分析實驗結(jié)果。由于聚乙烯是化學(xué)反應(yīng)中使用最多的聚合物，其化學(xué)反應(yīng)也需要在高溫、高壓的環(huán)境下通過自由基聚合的方式生成，但是聚乙烯的生成需要利用絕熱高壓釜反應(yīng)器，學(xué)者為了更深入地研究絕熱高壓釜反應(yīng)器的內(nèi)部構(gòu)造和化學(xué)反應(yīng)原理，對反應(yīng)器中的旋轉(zhuǎn)漿葉、湍流模型等采用CFD中的FLUENT軟件進行三維模型，經(jīng)過計算，可以得出不同環(huán)境下的反應(yīng)器的流線、反應(yīng)器內(nèi)部的濃度梯度及溫度梯度。通過CFD軟件預(yù)測反應(yīng)器的速度、溫度及壓力場，可以更進一步理解化學(xué)反應(yīng)工程中的聚合過程，詳細(xì)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)可以優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)中的操作參數(shù)。

結(jié)束語：

計算流體力學(xué)在化學(xué)工程被得到廣泛的應(yīng)用，大多數(shù)化學(xué)工程師及專家都紛紛采用計算流體力學(xué)CFD研究化學(xué)領(lǐng)域中內(nèi)部流場的流動流體。因此，加強計算流體力學(xué)軟件的研究，使計算流體力學(xué)應(yīng)用在化學(xué)工程中的各個領(lǐng)域。

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