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1、目 录摘要1Abstract2第1章 绪论31.1 研究背景与意义31.2 课题研究进展41.2.1工业结晶技术41.2.2 结晶操作分类及过程动力学41.2.3 结晶釜的结构型式81.2.4 CFD理论及其应用进展111.3 课题的研究重点16第2章 流场模拟与结晶釜尺寸优化172.1 设备操作原理及其结构172.2 釜内流场模拟与计算172.2.1 CFD计算模型182.2.2 模拟求解流程192.2.3 模拟用参数条件202.2.4 计算网格模型212.3 模拟结果与分析232.3.1 模拟计算结果232.3.2 优化后的器内流场考察26第3章 结论28参考文献29致谢33摘 要结晶作为
2、一种传统的分离操作，已被广泛应用于工业生产，许多的工业产品都是以晶体形态存在或是由结晶法分离制得。针对一种工业上有着良好应用前景的新型结晶反应釜，为优化釜内的流动流场，进而提升操作的晶体产品收率，基于现代计算流体力学（Computational fluid dynamics，简称CFD）理论及相应的商用计算软件，结合均匀设计的试验安排方法，对设备的料液进、出口等尺寸进行了初步的优化设计。结果表明，就釜主体圆筒直径为150 mm、主体圆筒高度为60 mm的结晶釜而言，当其锥形釜底的高度设计为40 mm，以及进料口、出料口和抽真空管的管径分别设计为18 mm、24 mm和22 mm时，设备的生产操
3、作效果将达到最佳。关键词：结晶釜，流场模拟，均匀设计、尺寸优化AbstractCrystallization as a traditional separation operation has been widely used in industrial production, many industrial products are crystal forms existed or made by separating of crystallization method.According to an industry has a good application prospect of n
4、ew crystallization to optimize the kettle reaction kettle, the flow field of flow field and to increase the operation of crystal products, based on the modern yield Computational fluid dynamics (CFD Computational fluid dynamics, referred to and the corresponding theory, combined with the commercial
5、calculation software uniform design method, the trial is scheduled for equipment import and export liquid materials such as size conducts a preliminary optimization design. Results show that the main cylinder diameters, kettle for 150 mm, subject to 60 mm cylinder highly concerned, when the crystall
6、ization axe cone-shaped kettle heights designed for the 40 mm, and feeding port, discharging the mouth and the diameter of smoke vacuum tubes are designed respectively for 18 mm, 24 mm and 22 mm, equipment production operation effect will reach the best.Keywords： Crystallizer; Flow field simulation;
7、 Uniform design; Size optimization第1章 绪论第1.1节 研究背景与意义结晶是指从溶液、蒸气或熔融物中析出固态晶体的分离过程，结晶工艺是化工过程中的一个重要操作单元，也是完成化工产品生产的重要环节。结晶是一种高效低能耗、低污染的制造与分离技术，近年来受到国际工业界及科学界的格外重视。作为跨学科的分离与生产技术，对于它的理论分析和工业技术与设备的开发取得了许多引人瞩目的进展。近年来工业结晶技术的推广，新领域的开发以及应用理论的研究，在国际上异常活跃。国际结晶发展的新动向是用熔融结晶提取高纯有机物质，由反应沉淀结晶制取生物化学物质 (包括医药)、超微粒子及功能晶体
8、。在国内， 随着石油化工、精细化工及生化、医药行业的发展，对工业结晶新技术提出了迫切的要求。国家科委、计委相继安排了一系列国家级的工业结晶攻关项目，并取得了系列成果。但和我国经济迅速发展的形势和需求相比，工业结晶新技术的开发与推广速度还急待提高。随着结晶应用范围的拓宽以及不同学科之间的广泛渗透，人们不再单纯满足于结晶产品的高纯度指标，同时对晶体的平均粒度（L）及其分布（CSD- Crystallization Size Distribution）、产品的变异系数（CV）甚至晶体的超分子结构等方面都提出相应的要求，涉及结晶热力学、动力学等相关领域的研究，其中结晶工业设备即结晶器的结构优化与设计亦
9、是研究关键之一。按操作方式的不同，结晶技术及设备可分为连续式、半连续式和间歇式三种。由于工业操作多为连续性的生产过程，故连续式结晶及工业设备在实际生产与理论研究中均占据十分重要的地位。研究表明，连续式结晶器操作时的传热与传质性能在很大程度上要取决于器内液相流的流动形态，即受制于结晶溶液的流体力学分布特性，而后者又与设备的结构尺寸存在密切联系，包括料液的进出口形状与尺寸。由于结晶操作是一个多相流的复杂过程，故设备内部的流场测定异常困难，从而导致了相应的工业设备设计尚停留于半经验半理论阶段，仍不能很好地满足精细结晶生产的需求，设备的效能远未能发挥最佳。近年来，随着计算机性能与技术的飞速发展，人们开
10、始采用高速计算机，结合先进的数值计算方法，对连续式结晶器内的实际运行状态加以模拟和仿真，从而为该类型的结晶设备的结构与尺寸优化提供了便利，已成为当前研究的热点之一。针对工业结晶器，可借助计算流体力学理论及相应的商业应用软件对其内的流场进行模拟，进而分析得出最佳的器体结构与尺寸，如此可大量节约研发成本,提高设计的效率。第1.2节 课题研究进展1.2.1 工业结晶技术工业结晶是一门古老而高效的化工分离技术，它不仅是制取固体化工产品的必经途径，同时也是分离复杂有机混合物、提取高纯或超纯有机化合物的特效技术之一，其应用范围早已从传统的无机盐生产、石油化工等领域成功地渗透至新兴的电化学、材料化学等行业中
11、。为适应这一变化，即满足新兴行业中特定的产品需求，人们对结晶技术提出了更高的期望和更苛刻的要求，即不再单纯满足于结晶操作的高纯度指标，同时对晶体产品的粒度及其分布（Crystallization Size Distribution，简称CSD）、颗粒的变异系数甚至超分子结构等均明确了相应要求，需涉及结晶动力学、热力学、晶体习性等方面的研究。与其他分离过程相比，工业结晶过程具有一系列优点。(1) 结晶过程的选择性较高，可获得高纯或超高纯（99.9%色谱纯）的晶体制品。(2) 与精馏过程相比，结晶过程的能耗较低，结晶热一般仅为精馏过程能耗的1/31/7。(3) 结晶过程特别适用于同分异构体、共沸或
12、热敏性物系的分离。(4) 结晶过程的操作温度一般较低，对设备的腐蚀及对环境的污染均较小。1.2.2 结晶操作分类及过程动力学1.2.2.1 结晶操作分类结晶是指从溶液、蒸气或熔融物中析出固态晶体的分离过程。结晶工艺是化工过程中的一个重要操作单元，也是完成化工产品生产的重要环节。对结晶工艺过程进行有效地控制，是制备高纯度、高品质功能晶体材料的关键，进而亦有利于促进材料加工等相关科学的进一步深入发展。工业上常用的结晶方法一般有溶液结晶、熔融结晶、升华结晶、沉淀结晶四大类。其中，溶液结晶作为一种历史悠久的结晶技术，不论在工业生产还是在理论研究中都占有相当重要的地位。依据产生过饱和度的方法不同，溶液结
13、晶又可细分为冷却结晶、蒸发浓缩结晶、真空绝热结晶和加压结晶等。冷却结晶因其独特和广泛的应用背景，历来都是结晶学界关注的焦点所在，通常也是研究其它结晶分离操作机理的重要突破口之一。溶液冷却结晶是依靠温度的降低使体系产生过饱和度，进而析出溶质的结晶操作技术。根据冷却方式的不同，溶液冷却结晶可分为直接冷却结晶和间接换热冷却结晶。其中，间接冷却结晶对于操作条件的要求不是很高，其工艺流程比较简单，是溶液结晶中应用较为广泛的一种，也是研究结晶机理时经常采用的一种方式。为适应工业生产的需要，溶液冷却结晶又有连续结晶和间歇结晶之分，对应的结晶器分别称为连续结晶器和间歇结晶器。相对而言，间歇结晶操作具有操作简单
14、、受外界环境影响小、参数重现性好等优点，通常是结晶研究的关注重点。溶液冷却结晶作为溶液分离的一种工业技术，常以晶体的纯度、形状以及粒径分布（Crystallization Size Distribution, CSD）宽度等作为产品的评价指标。而这些指标的提高无不以结晶过程机理的研究为基础，只有通过对结晶过程及其机理的深入研究，掌握不同因素对结晶过程的影响，才能合理地改造工艺操作条件，达到生产指定的要求。1.2.2.2 溶液结晶动力学溶质从溶液中的结晶析出一般要经历晶核形成和晶体生长两个步骤。晶核形成是指在过饱和溶液中生成一定数量的结晶微粒即晶核；而在晶核的基础上成长为晶体，称为晶体生长。结晶
15、动力学所研究的对象即为晶核形成与晶体生长的普遍规律，主要包括成核动力学与生长动力学两个基本组成部分。其中，依据不同的成核机理，成核动力学又可细分为初级成核和二次成核两大类，分别对应着工业生产中未添加晶种和添加晶种的结晶操作。（1）初级成核 与溶液中存在的其它悬浮晶粒无关的新核形成过程，称为初级成核。初级成核通常有两种不同的起因。若纯净溶液本身存有较高的过饱和度，则因溶质分子、原子或离子间的相互碰撞而成核，称为均相成核；若过饱和溶液因受到一些外界因素（固体杂质颗粒、容器界面的粗糙度、电磁场、超声波、紫外线等）的干扰而成核，则称为非均相成核。非均相成核时，由于外界因素的干扰作用降低了体系的成核壁垒
16、，因而成核所需的过饱和度水平一般要低于均相成核，这对于部分体系的工业结晶分离将十分有利。由于均相成核仅发生于较纯净的过饱和溶液中，且不能有任何大的外界干扰，故实际生产中很难满足这样的条件。事实上，对于大多数物系的工业结晶过程，晶核的形成一般并不经历均相成核。迄今为止，有关均相和非均相成核的过程机理，理论研究均还不尽充分，通常的做法是将它们的成核速率直接与溶液的过饱和度相关联，即（1-1）或（1-2）式中，BP为初级成核速率；kP、kP、a和均为初级成核动力学参数；C和S分别为液相过饱和度和相对过饱和度。由于初级成核通常是爆发式进行的，故又习惯称为爆发成核。生产中，因爆发成核的成核速率一般难以控
17、制，易引起产品CSD指标的较大波动，故除了超细粒子制造等少数行业外，多数结晶过程中均应尽量避免爆发成核现象的发生。（2）二次成核 二次成核是由于晶种的诱发作用而引起的成核过程，所需的过饱和度水平一般要低于初级成核。对于溶解度较大的物质的结晶过程，二次成核通常起着非常重要的作用。有关二次成核的过程机理，目前尚无统一的认识。近年来研究表明，流体剪应力成核与接触成核以及枝状晶体的自发消失均极大地影响着体系的二次成核，乃二次成核的主要作用机理。正是由于二次成核机理的复杂性，亦导致了其数学描述的多样性。通常认为，二次成核速率与晶浆（结晶器中析出的晶体与剩余溶液所构成的混合物）中的晶体悬浮密度密切相关，故
18、相应的表达式多可写为（1-3）或（1-4）式中，B0为二次成核速率；MT为晶体悬浮密度，即单位体积晶浆中所包含的晶体体积；kb、kb、m、n、p和q均为二次成核动力学参数,其中当体系中存有大量晶体时，p和q值可近似视为零。二次成核是绝大多数工业结晶过程的主要成核方式，其速率大小在很大程度上决定着最终产品的CSD等指标。（3）晶体生长 晶体生长及其过程机理是结晶动力学研究的又一项重要内容。按照生长二步学说，晶体生长需要经历两个步骤：第一步是溶质由溶液主体向晶体表面的转移扩散过程；第二步是溶质由晶体表面嵌入晶面的表面反应过程，该过程又对应有三种不同的表面反应模式，即连续成长模型、生长传递模型和螺旋
19、错位生长（BCF）模型。研究表明，转移扩散和表面反应这两个步骤均有可能成为晶体生长的控制步骤。一般情况下，当溶液的过饱和度较高及比功率输入较低时，晶体的生长过程多属扩散控制，反之则多属表面反应控制过程。光滑晶体的表面是一个二维平面结构，新的溶质分子首先在这些表面上迁移，以找到有利于自身沉积的位置。溶质分子可能的沉积位置如图1-1所示，在位置A处，溶质分子只能与晶体的一个表面进行结合；而台阶位置B和扭折位置C则可分别为溶质分子提供两个和三个可供结合的表面，即更有利于晶体的生长。表面吸附、表面扩散及晶A-平面B-台阶C-扭折图1-1 溶质分子在晶体表面的结合位置体的表面位置决定了溶质分子是沉积于晶
20、体表面还是重新溶解于溶液主体。晶体生长的过程机理十分复杂，对于不同的结晶操作，影响其生长速率的因素也各不相同。就多数结晶体系而言，晶体的线性生长速率可近似看作与其自身的粒度大小无关，即满足McCabe提出的L定律。符合McCabes L定律的结晶体系，其晶体的线性生长速率与体系的过饱和度一般可简单关联为幂指数的方程表达式，即（1-5）或（1-6）式中，G为晶体线性生长速率；kg、kg、g和l均为晶体生长动力学参数。由于晶体的生长速率直接影响着结晶产品的平均粒度大小，故对于多数工业结晶过程，宜推荐采用促进晶体生长的结晶策略，同时配之以成核速率的控制，即抑制爆发成核、维持适量二次成核，以提高与改善
21、晶体产品的平均粒度和相应的CSD指标。此外，在实际生产过程中，即使维持结晶器内的操作条件良好恒定，也并不能使得所有晶体都以相同或恒定的速率生长，这种现象称为生长速率分散。生长速率分散易导致产品较宽的CSD分布，故需引起注意。此外，近一个世纪以来，有关晶体生长的机理尚还提出了多种理论。晶体生长主要是研究溶质的溶解、生长基元的形成、晶体基元被运输到界面上以及生长基元在界面上叠合等有关的问题。a）完整光滑面理论模型 这种模型首先是由Kossel于1927年提出来的，后来由Stranski和Kaischew等加以发展。设有一块生长着的晶体，结晶基元向上粘附时，在不同部位具有不同的引力，即结晶时在不同类
22、型部位释放的能量(主要是动能)各处是不等的。母相中结晶基元首先粘附在三面凹角的台阶扭折处，完成一条行列，再粘附在两面凹角的台阶处，继续完成相邻行列，直到结晶基元布满整个面网。此后新的结晶基元只有粘附在平滑面上，而一旦平滑面上粘附一个结晶基元后就又出现三面凹角和二面凹角，在生长过程中不断反复而使晶体继续生长。事实上从液相中结晶形成晶体时，并不是一个一个结晶基元在晶体上粘附生长的，而是一个一个胚芽，甚至一个一个晶核或集团向晶体上粘附生长的，即晶体阶梯状生长学说。这个学说认为每次向晶体上粘附的结晶物质可厚达数十微米，有时甚至更厚，是数万个甚至几十万个分子层。粘附分子层的厚度决定于母体结晶物质的浓度。
23、b）非完整光滑面理论模型 非完整光滑面理论模型又称为Frank模型，或称为螺旋位错模型，后来又发展成Burton，Cabera和Frank理论，简称BCF理论。Frank考虑到晶体结构的不完整性，认为晶体生长界面上的螺旋位错露头点可作为晶体生长台阶源，晶体将围绕螺旋位错露头点旋转生长。而螺旋式的台阶源将不随着原子面网一层一层地铺设而消失，而是螺旋式的连续生长过程。这样便可成功地解释晶体在很低的过饱和度下就能够生长的实验现象。近些年来的实验观察结果表明，除了螺型位错外，刃型位错、层错以及孪晶等都能成为生长台阶源。c）粗糙界面理论模型 粗糙界面模型是Jackson于1958年提出来的，通常又称为双
24、层界面模型。该模型只考虑晶体表层与界面层两层间的相互作用，假设的条件如下：界面层内所包含的全部晶相与流体相原子都位于晶格座位上，将晶体生长体系中各原子划分为晶相原子和流体相原子。这种模型的理论基础是在恒温恒压条件下，在界面层内的流体相原子转变为晶相原子所引起的界面层中Gibbs自由能的变化。对具有粗糙面正在生长着的晶体来说，在粗糙面各处吸附结晶基元的势能大致相等。主要特点是粗糙面连续生长过程，无需像光滑面那样长满一层面网后再长另一层面网。因为粗糙界面本身就有无穷多个台阶源，构造缺陷将不起明显作用。大多数金属材料熔体的结晶就是典型的粗糙面生长。d）PBC理论模型 从晶体的结晶形态入手，Hartm
25、an和Perdok提出了周期性键(periodic bond chain)理论，即PBC理论。该模型把晶体结晶形态与晶体内部化学键链由表及里联系起来。该理论的假设是基于晶体表面成键所需要的时间与键合能(Attachment Energy)成反比，故在界面上生长的线速度是随着键合能的增加而相应增加。该理论认为晶体是由周期键链(PBC)所组成，晶体生长速率与键链方向有关，生长速率最快的方向就是化学键链最强的方向。由于基元在界面上联结时成键数目多，稳定性就好，稳定性好时界面的生长速度就快，于是就将界面类型与生长速率之间有机联系起来了。生长速率快的界面就容易消失，生长速率慢的界面容易显露。用PBC理论
26、解释晶体的理想形态方面比较成功，但是对于解释晶体生长习性机理仍遇到了困难。现代PBC理论是通过原子一原子势能函数和量子化学计算获得晶体可能出现的理想形态。1.2.3 结晶釜的结构型式1.2.3.1 冷却式结晶釜最简单的冷却式结晶器仅是一只敞口的结晶槽。结晶溶液通过液面和器壁向空气散热，以降低自身温度并析出晶体，故称为空气冷却式结晶器。此类结晶器可获得高质量、大粒度的晶体产品，尤其适用于含多结晶水物质的结晶。缺点是传热速率太慢，且属于间歇操作，因而生产能力较低。在空气冷却式结晶器的外部，装设传热夹套或在内部装设蛇管式换热器以促进传热，并增加动力循环装置，即成为强制循环冷却式结晶槽，或搅拌式结晶槽
27、。图1-2为连续式搅拌结晶槽的结构示意图，其外形为一长槽，槽底呈半圆形，槽内装有长螺距的螺带式搅拌器，槽外设有夹套。工作时，物料由槽的一端加入，在搅拌器的推动下向另一端流动，形成的晶浆由出料口排出。冷却介质在夹套内与物料呈逆流流动。在槽内装设有搅拌器，不仅可推动物料或晶浆向前流动，而且可提高传热和传质的均匀性，有利于晶体的均一生长，从而可减少晶簇的形成和结块现象。此外，为防止晶体在结晶槽内堆积结垢，可在搅拌器上安装钢丝刷，以便及时刷除传热面上附着的晶体。连续式搅拌结晶槽可连续操作，因而生产能力较大，常用于处理量较大的结晶过程，如葡萄糖的结晶过程即常采用此类结晶器。图1-2 连续式搅拌结晶槽1-
28、搅拌器；2-冷却夹套在生产中，还常采用一类立式带有搅拌器的罐式结晶器，称为结晶罐。图1-3是常见结晶罐的结构示意图。料液冷却介质晶浆冷却介质晶浆料液料液冷却介质晶浆图1-3 结晶罐1-搅拌器；2-夹套；3-刮垢器；4-冷却管；5-导流筒；6-搅拌耙1.2.3.2 蒸发式结晶釜蒸发式结晶釜是一类通过蒸发溶剂使溶液浓缩并析出晶体的结晶设备。图1-4是一类典型的蒸发式结晶器，称为奥斯陆蒸发式结晶器。该结晶器主要由结晶室、蒸发室及加热室组成。工作时，原料液由进料口加入，经循环泵输送至加热器加热，加热后的料液进入蒸发室。在蒸发室内，部分溶剂被蒸发，形成的二次蒸气由蒸发室顶部排出，浓缩后的料液经中央管下行
29、至结晶室底部，然后向上流动并析出晶体。由于结晶室呈锥形，自下而上截面积逐渐增大，因而固液混合物在结晶室内自下而上流动时，流速逐渐减小。由沉降原理可知，粒度较大的晶体将富集于结晶室底部，因而能与新鲜的过饱和溶液相接触，故粒度将愈来愈大。而粒度较小的晶体则处于结晶室的上层，只能与过饱和度较小的溶液相接触，故粒度只能缓慢增长。显然，结晶室中的晶体被自动分级，这对获取均匀的大粒度晶体十分有利，故此为奥斯陆结晶器的一个极为突出的优点。奥斯陆结晶器同时也是一个母液循环式结晶器。工作时，到达结晶室顶层的溶液，其过饱和度已消耗完毕，其中也不再含有颗粒状的晶体，故可以澄清母液的形式参与管路中循环。图1-4 奥斯
30、陆蒸发式结晶器1-循环泵；2-加热室；3-蒸发室；4-通气管；5-结晶室奥斯陆结晶器的操作性能优异，缺点是结构复杂、投资成本较高。图1-5 间歇真空式结晶器1.2.3.3 真空式结晶釜真空结晶操作是将常压下未饱和的溶液，在绝热条件下减压闪蒸，由于部分溶剂的气化而使溶液浓缩、降温并很快达到过饱和状态而析出晶体。真空结晶又称为蒸发冷却结晶，相应的真空式结晶器又称为蒸发冷却式结晶器。真空式结晶器是一种新型的结晶设备，但它与蒸发式结晶器之间又没有严格的界限。如图1-5所示的奥斯陆蒸发式结晶器，若将蒸发室与真空系统相连接，则成为真空式结晶器。可见，与蒸发式结晶器相比，真空式结晶器只是操作的温度更低、真空
31、度更高而已。图1-5是一种典型的间歇真空式结晶器。设备的真空一般由蒸气喷射泵或其他类型的真空泵产生并维持，结晶器内的料液因闪蒸而剧烈沸腾，如同搅拌器推动晶浆均匀混合一样为晶体的均匀生长提供了条件。此类结晶器结构简单，结晶器内进行的过程为绝热蒸发过程，不需要设置传热面，因而不会引起传热面的结垢现象。1.2.4 CFD理论及其应用进展1.2.4.1 CFD方法原理近年来，随着计算机性能与技术的飞速发展，人们开始采用高速计算机，结合先进的流体力学模拟技术在工业设计中的成功应用，很大程度上要得益于计算流体力学CFD方法的建立与发展，后者既是流体力学理论中一个重要的研究分支，同时也是我们研究和了解复杂流
32、体现象的一种有效手段。具体地说，CFD是一门对工程中流体流动、传热、燃烧、化学反应、多相流等进行数值预测和工程模拟的研究技术。在相关的CFD软件中，只要我们输入描述过程现象的数学模型，然后依据现有的计算数学理论进行求解，求解值即为对于实际实验的预测结果。因此，利用CFD软件，研究者可通过调整模型中的变量，在较短时间内搜索得到最优的实验预测结果，从而确定出模型变量的最佳取值。CFD是在计算机上求解描述流体运动、传热和传质的偏微分方程组，并且对上述现象进行过程模拟。CFD可用来进行流体动力学的基础研究，复杂流动结构的工程设计，了解在燃烧过程中的化学反应，分析实验结果等。其主要优点是能以较少的费用和
33、较短的时间获得大量有价值的研究结果，对投资大、周期长、难度高的实验研究来说，CFD的有点就更为突出。因此，将CFD与工程研究相结合，不仅有助于工程设计的改进，而且能减少实验的工作量。可以说，CFD是一种有效和经济的研究手段。换言之，CFD是一种可以通过计算机生成数值计算和图像显示的技术。它是把一些在空间和时间上连续的物理量的场用一些离散点的变量集合来代替，通过一定的方式来建立关于这些离散点的代数方程式，然后求解方程式得出这些变量集合，从而得出场的近似值的过程。CFD数值模拟可以看作是在质量守恒方程，能量守恒方程等诸如这种平衡方程的控制下对流动的模拟，在气流干燥方面，就是对气流和物料流动的数值模
34、拟。数值模拟已经成了工程中许多领域的一种较为先进的研究方法。简言之，CFD方法是近代流体力学、计算数学和计算机科学结合的产物, 是利用高速计算机求解控制流体流动的偏微分方程组，定量求取流体流动状态的方法，也就是对流场的控制方程用计算数学的算法将其离散到一系列网格节点上求其离散的数值解的一种方法。控制所有流体流动的基本定律有：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。由此可以分别导出连续性方程、动量方程（又称纳维尔-斯托克斯方程）和能量方程，进而可联立得到纳维尔-斯托克斯(Navier-Stokes)方程组，简称N-S方程组。N-S方程组是流体流动所需遵守的普遍规律，可精确描述了自然界流体流动现
35、象。但由于绝大多数工程上流体都属于高度非线性的，无法通过求解此微分方程得到解析解。随着计算科学工程(Computational Science and Engineering，简称CSE)的日益发展，人们试图通过数值方法直接求解各种控制方程，工业也要求用数值模拟手段解决各种设备及过程的设计与模拟，从而形成和发展了计算流体力学这一学科分支。将CFD用于化工过程的建模、化学反应器和结晶器的设计与放大是现代高科技与传统科学相结合的典范。CFD 摒弃传统化工过程的建模方式，用详尽、真实和生动再现的方式来描述化工过程，因而被称之为“虚拟真实”(virtual reality)之法。此应用因其可靠、经济和
36、快速，已引起学术界和工业界广泛重视并成为世界化工新兴前沿领域。计算流体力学和相关的计算传热学、计算燃烧学的原理是用数值方法求解非线性联立的质量、能量、组分、动量和自定义的标量的微分方程组。经过近几十年的发展，计算流体力学日益成熟，一个主要的标志就是各种CFD通用商务软件陆续出现，专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测。除了应用于航空、航天、船舶、水利方面外，应用的范围逐步扩大到化工、冶金、建筑、环境、食品等相关领域。通过CFD软件，可以分析、显示流场中的现象，在较短时间内预测其性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果。CFD的数值模拟，能使我们更加深刻地理解问题产生的机理，为实验提供指导，
37、节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用，是十分有利的。计算数学中，将具体的流场控制方程分为3类：椭圆型、抛物型和双曲型方程。椭圆型方程与时间变量无关，仅与空间变量的二次导数项有关，一般用作描述定常情况的控制方程。抛物型与双曲型方程不仅与空间变量导数项有关，而且与时间变量的一阶和二阶导数项有关，被用作描述非定常情况下的控制方程。求解偏微分方程的数值方法主要分为有限差分法、有限元法及有限体积法3种。他们中的任意一种都可以用来求解偏微分方程，但求解的精度不一样。对这3种不同类型方程数学上已经发展出不同的稳定、收敛的算法。一般，对于椭圆型方程使用有限元法、对于
38、抛物型和双曲型方程则使用有限体积法。就研究历史来看，CFD是20世纪60年代伴随着计算机和数值算法的进步而迅速崛起的新兴技术。由于受到当时计算机硬件和计算费用的制约，早期CFD只在核工业和航空领域中应用，主要用于解决计算流体力学中一些基本的理论问题，如模型方程（湍流、流变、传热、辐射、气体-颗粒作用、化学反应、燃烧等）、数值方法（差分格式、代数方程求解等）、网格划分、程序编写与实现等，同时也初步涉及网格变换等问题。其中，Patankar等学者发表的用于描述外部绕流问题的抛物线偏微分方程P-S法，以及解决内流问题的SIMPLE算法等，都是当时具有代表性的研究成果。到了70年代中后期，随着数值预测
39、、原理和方法的不断完善，学者们已开始探讨CFD在解决实际工程问题中的可行性、可靠性和工业推广等课题，研究也逐渐向气固、液固多相流、化学反应流、非牛顿流、化学反应流、煤粉燃烧等诸多复杂流动问题中拓展。到了80年代初期，CFD已成功运用于汽车制造业和化学工业等领域，但此时工业界对于CFD技术的应用前景并未明朗，仍普遍处于观望阶段，缺乏必要和足够的研发热情。为此，CHAM公司和Patankar等学者在发达国家的工业界开展了大量艰苦的推介工作，学者Spalding也于1985年在第四届国际计算流体力学会议上，作了关于展望CFD在工程设计领域中应用前景的专题报告。报告将工程中常见的流动、传热、化学反应等
40、过程粗略划分为十大类问题，并指出CFD都有望对此加以解决，报告取得了良好的推介效果。此后，随着工业生产的逐步深入，众多新设备和新工艺不断被研发和推出，大量繁琐和复杂的流动计算问题日益凸现。与此同时，由于计算图形学和微机技术的快速进步，CFD的前、后处理软件也相继得到了较好地解决与发展。因此，学者们此时才真正开始对CFD技术给予前所未有的高度关注，并投入大量热情和经费进行CFD的深度研发，此后CFD技术正式步入了一个持续有序的发展阶段。目前，CFD的计算效率、准确性和可靠性等指标都已有了大幅度的提高，其在工业上的应用也更为普遍，早己超越了如核能、航空、航天、船舶、铁路运输、动力、化工和水利等传统
41、的流体工程范畴，正逐步向建筑、冶金、制冷、环境等新的生产领域中渗透。总之，流体力学模拟技术在工业设计中的成功应用，很大程度上要得益于计算流体力学CFD方法的建立与发展，后者既是流体力学理论中一个重要的研究分支，同时也是我们研究和了解复杂流体现象的一种有效手段。实际上，CFD技术是一种求解流体流动控制方程组的数值方法。简言之，CFD方法是近代流体力学、计算数学和计算机科学结合的产物, 是利用高速计算机求解控制流体流动的偏微分方程组, 定量求取流体流动状态的方法，也就是对流场的控制方程用计算数学的算法将其离散到一系列网格节点上求其离散的数值解的一种方法。1.2.4.2 计算特点与局限性CFD这种方
42、式的优点是：能合理配置资源，有很大的灵活性、不受物理模型的限制，能模拟任何数值，甚至能模拟特殊状态下的真实条件，而实验有时并不能制造如此特殊的环境；它能提高一定的实验效率；并且经过一定处理后就可以使得结果可视化，我们可以很直观地通过数字和图像观察到是否适宜采用所实验的技术或器材，不需要像实际生产那样。通过实际生产或实验，有时可能会导致原材料及资源的浪费，造成不必要的损失，然后可能还看不到预测的结果。CFD弥补了这一缺陷。而且采用CFD技术，克服了模型试验中的耗人力物力以及实验中模型尺寸、流场干扰等自身条件的限制，能够形象地再现流动情景，将结果显示在计算机上，并且能够节约很大的成本，做到了节能减
43、排，是一种越来越流行的实验技术。如果CFD的计算解中基本上含有了流动中的所有重要的物理性质，那么CFD技术(计算机程序本身)就象一个仪器，可以用来进行数字化实验，帮助理解流动的基本性质。这些数字化实验都是对于真实实验的直接模拟。然而如此先进的技术，还是具有一定的自身局限性。如果该物理过程在所研究问题公式化的过程中，并没有被正确地涵盖进去，那么CFD技术是不能重现这种现象的。其中最重要的例子就是湍流现象。目前大多数湍流问题的CFD的解所包含的湍流模型或是真实物理现象的近似，或者是依赖于湍流模型中各种常数的经验数据。因此，虽然对于一些情况的某些计算是合理的，但是所有湍流流动的CFD解仍被准确性的问
44、题所困扰。另一个例子就是化学反应流动的计算。由于化学反应动力学速率的机理以及反应常数经常是非常不准确的，所以所有这种情况下的CFD解都会被这种不确定性所影响。因此从这几方面来看，CFD还存在着一定的瑕疵，但人无完人，更何况是这种技术，我们需要在更多的学习中努力钻研开发，使这种技术臻于完善。1.2.4.3 典型商业化软件随着计算机软硬件技术的不断提高，以及数值算法的日臻完善，出现了不少优秀的CFD商业化软件，这使得学者们可以从算法、编程等一些繁琐的研究工作或问题中解脱出来，以便更加专注地研究流体流动的本质、初边界条件以及计算结果的合理性等关键性问题。具体地说，由于数值模拟相对于实验研究有独特的优
45、点，比如成本低、周期短，能获得完整的数据，能模拟出实际运动过程中各种所测数据状态，对于设计、改造等商业或实验室应用起到重要的指导作用，所以计算流体力学技术得到了越来越多的作用，这促进商业计算流体力学软件的发展。自1981年英国的CRAM公司推出求解流动与传热间题的商业软件PHOENICS以后，迅速在国际软件产业中形成了通称为CFD的软件产业市场，其它的求解流动与传热问题的商业软件，如：FLUENT，STAR-CD，FLOW3D，CFX等先后问世，目前全世界已有大约几十种求解流动和传热问题的商业软件。下面就着重介绍若干种常见的CFD商用软件：（1）PHOENICS是世界上第一个投放市场的CFD商
46、用软件，可以算是CFD商用软件的鼻祖。这一软件中所采用的一些基本算法，如SIMPLE方法、混合格式等，正是由该软件的创始人DRSpalding及其合作者SVPatankar等所提出的，对以后开发的商用软件有较大的影响。这一软件采用有限容积法，可选择一阶迎风、混合格式及QUICK等，压力及速度藕合采用SIMPLES算法，对两相流纳人了IPSA算法(适用于两种介质互相穿透时)及PSI-Cel算法(离子跟踪法)，代数方程组可以采用整场求解或点跌代、快跌代方法，同时纳人了块修正以加速收敛。该软件投放市场较早因而曾经在工业界得到较广泛的应用。自1997年在中国推广以来，以其廉价和代理商成功的商业运作模式
47、，在中国高校核研究单位得到了很好推广。其特点是计算能力强、模型简单、速度快，便于模拟前期的参数初值估算，以低速热流输运现象为主要模拟对象，尤其适用于单相模拟和管道流动计算。其包含有一定数量的湍流模型、多相流模型、化学反应模型。如将层流和湍流分别假设成两种流体的双流体模型MFM，适用于狭小空间(如计算机模块间)的流动与传热模型LVEL，用子暖通空调计算的专用模块FLAIR等。不足之处在于:计算模型较少，尤其是两相流型，不适用于两相错流流动计算；所形成的模型网格要求正交贴体(可以使用非正交网格但易导致计算发散)；使用迎风一阶差分求值格式进行数值计算，不适合于精馏设备的模拟计算；以压力矫正法为基本解
48、法，因而不适合高速可压缩流体的流动模拟；此外，它的后处理设计尚不完善，软件的功能总量少于其它软件。其最大优点是对计算机内存，运算速度等指标要求相对较低，其边界条件已源项形式表现于方程组中是它的一大特点。该软件的最新版本默认适用QUICK数值求解格式，软件推荐选用格式为SMART和HQUICK数值求解。由于缺乏使用群体和版本更新速度慢，以及其它新兴软件的不断涌现，使得其实际应用受到很大限制，目前应用较少。（2）STAR-CD是全球第一个采用完全非结构化网格技术和有限体积方法来研究工业领域中复杂流动的流体分析商用软件包，是由英国Computational Dynamics Ltd.公司推出，软件名称是由Simulation of turbulent flow in Arbitrary Regions在加上公司名称C