设计文档2013设计文档10-CFD设计说明书

年产4.4万吨过硫酸铵联产8万吨液态二氧化碳项目CFD设计说明书 目 录第一章 简介1第二章 模拟方法22.1 模型假定22.1.1 边界条件的设定22.1.2 网格的划分22.1.3 喷淋塔的网格生成32.1.4 脱硫吸收塔的数值模拟过程32.1.5 模拟空塔气速32.2 CFD的基本方程42.2.1 连续性方程42.2.2 动量方程42.2.3 湍流方程52.2.4 欧拉一欧拉模型62.2.5 湍流多相模型62.2.6 液滴尺寸7第三章 结果与讨论83.1 单相流（气相）湍动场83.2 有喷淋时93.3 有无喷淋的对比10 齐齐哈尔大学小宇宙团队第一章 简介FLUENT是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序。它采用非结构网格以缩短产生网格所需要的时间，可以模拟具有复杂几何结构的流场，并且具有使网格适应流场的特点。所有涉及流体流动、热交换和分子运输等现象的问题，包括多空介质流动，风扇和热交换器的集总参量计算，流向周期流动与传热，有旋流动和动坐标系下流动问题都可以使用FLUENT进行分析和模拟。FLUENT不仅可以作为研究工具，还可以作为设计工具，因此在水利、土木、石油、天然气、环境等领域发挥着重要作用。第二章 模拟方法2.1 模型假定为模拟SO2被氨水物理，化学吸收过程对吸收塔做出如下假设：1. 气相为连续相，液体相为离散相;2. 气体吸收过程为稳态，且液体不可压缩;3. 熔解热和反应热被液相吸收;4. 忽略气相与液相间热量传递;5. 吸收塔塔壁是绝热壁面，即吸收塔与环境之间没有热量交换。基于以上假设，计算中需要考虑的模型有:湍流模型、多相流模型(含多相流中的湍流模型)、传质模型。2.1.1 边界条件的设定边界条件的设定，对于复杂流场的收敛性有着决定性的影响。在某些计算条件下可能会有若干种边界条件可选择，选择恰当的边界条件能够有效提高计算的收敛速度。对于进口边界条件，由于进口流率已确定，并且考虑到质量流率进口边界在欧拉多相流中不适用，因此选定速度进口。该边界条件应用于气相及液相进口，以下各章的计算中均是如此。2.1.2 网格的划分网格的划分关系到模拟是否准确，同时为了减轻计算机的负担需要将网格节点数降到最低，网格质量越高与计算精度收敛速度越快，因此作为模拟的重要步骤之一，我们有必要寻求网格的独立性。表2-1为脱硫吸收塔的塔径，入口尺寸等结构尺寸，具体参数如下。表2-1 塔的结构参数序号项目参数数值1喷淋塔塔径/m102入口尺寸(长*宽)/m4*33出口直径/m34喷淋层间距/m25入口角度 /156出口布置方式顶部出根据表2-1，可利用GAMBIT软件简化并进行物理建模，最后划分网格，以得到可以利用FLUENT运算的模型。2.1.3 喷淋塔的网格生成本文采用FLUENT对脱硫吸收塔进行模拟以得到塔内的流体流动情况，在GAMBIT中建立物理简化模型，并生成网格。采用四面体结构化网格，并对网格质量进行检查，每个网格单元的最小内角大于18、最小雅克比矩阵与最大雅克比矩阵行列式的比值大于0.7。2.1.4 脱硫吸收塔的数值模拟过程根据求解目标利用CFD前处理软件GAMBIT建立吸收塔的数学物理模型。确定所解决问题的特征之后，一般需要按照以下的基本步骤来解决问题。利用GAMBIT创建基本模型后划分网格，并倒入FLUENT选择合适的结算器：2D，3D，2DDP，3DDP。在FLUENT中检查倒入的网格是否正确合理，选择解算方式，选择需要解的基本方程:层流或湍流、化学组分或化学反应、热传导模型等。之后选择需要额外考虑的模型如雾化模型，多孔介质模型等。在FLUENT数据库里调取所需材料的物理性质，如果数据库内没有所需材料的物理性质，则需要查阅相关资料后自行添加。指定边界条件，如速度入口，压力入口，速度出口，压力出口等。最后调节控制参数并初始化流场，进行计算。2.1.5 模拟空塔气速空塔气体的流体流动情况将是后续所有计算的基础，该步计算的主要目的是得到气相流速分布。为简化计算，将通入气体简化为空气，具体操作步骤如下：1. 建立空塔模型并划分网格，并将模型倒入至FLUENT6.3中。2. 设置边界条件，将气体进口设置为速度进口，气体速度为10 m/s，湍流程度为10%，入口水力学直径为3 m，出口为压力出口，出口水力学直径为1 m。3. 设置在Z轴方向上有重力，重力加速度为9.8 m/s2。2.2 CFD的基本方程在笛卡尔坐标系中对流体项的模拟已发展了基于Reynolds时均方程及关联量输运方程的统观模拟、直接数值模拟大涡模拟和离散涡模拟等几种方法。其中后三种能直接得到流体的瞬态流场；而Reynolds时均的各种封闭模型只能得到流场的时均值，要想得到瞬时值，它还必须和另一些求脉动速度的方法相结合。在实际工程应用中，人们更关心流动的时均值，而忽略湍流的细节。因此目前大量的工程湍流计算还是依赖基于Reynolds时均方程的统观模拟方法，利用某些假设，即“湍流模型”，将Reynolds时均方程或湍流特征量的输运方程中的高阶的未知关联项或时均量来表达，从而使方程封闭。由于本项目研究的流场属三维定常流动，因而采用时间平均。CFD中用于描述不可压缩粘性流体稳态流动的控制方程，是指连续性方程和Navier-Stokes方程。2.2.1 连续性方程*hu=M (2-1)其中，P为组分密度，h为基于多孔空2间的该相体积分数，u为孔隙速度向量，M为连续性方程的源项，由气相中化学吸收SO2而引入，对于液相而言，是指单位时间单位体积被氨水吸收的SO2的量。因此，气液两相连续性方程分别为:tgg+(ggvg)=l=1n(mlg-mgl)+Sg (2-2)tll+(llvl)=g=1n(mgl-mlg)+Sl (2-3) 其中，下标g和l分别指液相和气相，为各相的体积分数，v为各相的速度。方程右边两项之和即为方程(1)中的M，其中mlg , mgl、分别描述液相向气相、气相向液相的传质，假设，仅仅气相中SO2组分向溶液中扩散，而液相中的水并不向气相中传递，因此mlg= 0 ，S为各相中的源项，默认值为零，这里也取为零。2.2.2 动量方程t(ggvg)+(ggvgvg)=-gP+ggg+l=1n(Rlg+mlgvlg-mglvgl)+(Fg+Flift,g+Fvm,g) (2-4) tllVl+llvlvl=-lP+llg+g=1nRgl+mglvgl-mlgvlg+Fl+Flift,l+Fvm,l(2-5)其中，为该相的曳力张量，=uv+vT+(-23)VI (2-6)是剪切粘度，为体积粘度，F为外部体积力，Flift,i为升力，FVm,i为体积质量力，P为各项共有压力。P为各项共有压力。2.2.3 湍流方程依前所述，由于Reynolds时均方程不封闭，因此还需要一个“湍流模型”方程。FLUENT提供的湍流模型主要有：Spalart-Allmaras模型；k-模型:标准k-模型、RNG k-模型、带旋流修正k-模型；k-模型:标准k-型、压力修正k-模型。k-模型作为两方程模型的代表，较单方程模型和多方程模型而言，是最简单的完整湍流模型，同时考虑了对流和扩散对脉动速度的影响，因而被广泛地应用于有回流的流动及三维边界层流动。其中标准k-。模型更是具有适用范围广、经济、精度合理等优点，并考虑到仅有k-模型适于后续计算中需加入的多相流模型，因此选择标准k-模型进行湍流计算。标准k-模型是半经验公式，由实验现象中总结得出。在稳态中，对于单相而言，其k-方程和k-方程分别如下：uxkx+uykx=y+utkkx+t(uxy)2-p-2(k12y)2 (2-7)puxx+puyy=y+uty+c1kt(uxy)2-c2p2k-20t(2uxy2)2 (2-8)k和是k方程和方程的湍流普兰德数，t是湍流粘度，可由k和计算：t=Ck2 (2-9)式中，C为常量。模型中的常量C1、C2、C、k、，通常可以使用默认值：C1=1.44，C2=1.92，C=0.09，k=1.0，=1.3这些默认值是由空气、水的基本湍流剪切流动试验得来的，包括均匀剪切流和等方性衰减湍流。这些数据已经被证明能很好的处理墙壁束缚和自由剪切流。2.2.4 欧拉一欧拉模型气一液混合流动是通过连续相和分散相来描述多相流动的。一般来说，主要采取两种方法来模拟分散相，即欧拉一欧拉法(简称欧拉法)和欧拉一拉格朗日法(简称拉格朗日法)。欧拉法将分散相作为连续相等同对待，但计算每个相的局部体积分数；而拉格朗日法则通过计算得到每个颗粒的运动轨迹来模拟两相流动。在采用CFD求解连续相时，每个连续方程(连续性方程、组分的质量分数方程、能量方程等)都是以一个传递方程的形式给出，其本质上就是守恒定律。因此其一般形式为： 随时间的变化+净对流能量+净扩散能量一源引起的变化在拉格朗日模型中，每个颗粒的运动方程在一个独立的时间步长被积分。在稳态分析中，颗粒运动的路线取决于它的初始条件以及它所经过的液体速度流场情况。在颗粒运动路径的每个步长，计算求得由局部连续条件作用在颗粒上的力，同时在颗粒的动量、质量和能量守恒的基础上更新颗粒的属性。这意味着此过程“单向”祸合计算：流体影响着颗粒，但颗粒被假定为不对流体构成影响。 同样，欧拉法在FLUENT中也被应用为具体的模型。FLUENT提供了三种欧拉一欧拉多相流模型，分别为:流体体积模型(VOF)，混合物模型，以及欧拉模型。其主要特点是，通过由每个计算单元内的变化及流过此计算单元的流体的情况所得的传递方程的形式，来描述流体性质以及固相的性质。2.2.5 湍流多相模型为了描述单相流场中湍流、波动的影响，FLUENT使用了不同类型的封闭模型。与单相流动相比，多相流动动量方程中所模拟的项数是非常大的，这使得多相流模拟中的湍流模型非常复杂。在k-模型内FLUENT提供了三种方法模拟多相流中的湍流:混合湍流模型，分散湍流模型，以及各相湍流模型。模型的选择依赖于计算中离散相的重要性。混合湍流模型应用于相分离、分层(或接近分层)的多相流，约为1的情况，此时只需对“混合物”使用单一方程组进行求解以及两相密度比稀释时，需要使用分散湍流模型;当两相之间湍流起主要作用时，当离散相比较则需对每一相使用独立的湍流传递方程。本计算中需要使用“各相湍流模型”，其精确度较高，但同时，其运算量较前两种也大大增加。该模型中各相的湍流方程如下:tqqkq+qqUqkq =qt,qkkq+qGk,q-qqq+l=1NKlqClqkl-Cqlkq-l=1NKlqUl-Uqt,llll+l=1NKlqUl-Uqt,qqqq （2-10） tqqq+qqUqq =qt,qq+qkqClqGk,q-C2qqq+C3l=1NKlqClqkl-Cqlkq -l=1NKlqUl-Uqt,llll+l=1NKlqUl-Uqt,qqqq (2-11)2.2.6 液滴尺寸在两相流中，液滴的大小和分布直接影响塔内的传质效果、脱硫速度和整体脱硫效率等，同时，在计算过程中观察发现，液滴的大小直接影响着两相计算的收敛情况，因此经过计算和校正后在FLUENT中填写准确的离散相尺寸，是保证模拟过程合理有效的前提，也可更确切地为设计分布器、再分布器的尺寸等后续工作打下基础。在多相流计算中，一般离散相的尺寸可根据实验确定，在部分非稳态条件计算下，离散相的直径会随时间变化，此时需要引入直径函数。在本文中由于缺少可供对比的实验数据，因此根据全塔的两相体积比及填料环当量直径按下式计算16dP3=16DP311+VVVL (2-12)其中，式中各项参数解释如下：dP-离散相尺寸。本文中即为液滴直径。DP-填料环当量直径。取DP=46.9mm。VL-全塔内液相折合体积，即VL=GLStL。其中，GL=47.14kg/(m2s-1)，L=998.2 kg/m3，t取单位时间，S为塔截面积。VL-全塔内液相折合体积，即VV=GLStL。其中，GV=40.46kg/(m2s-1)，V=1.138 kg/m3，t取单位时间，S为塔截面积。由此求得dP=5.15mm。第三章 结果与讨论3.1 单相流（气相）湍动场如图3-1所示，此图为单相流(气相)湍动场的残差曲线图，图中的四条曲线分别为连续性方程、X轴的速度方程、Y轴速度方程和Z轴速度方程。由图3-1可知，运算至347步时，X轴的速度方程、Y轴速度方程和Z轴速度方程运算残差分别达到10-5，运算收敛。可以发现运算，结果符合预期，此次运算结果可用。图3-1 空塔单相流(气相)残差曲线图高速烟气以15m/s的速度进入塔体后直接冲击与进口烟道相对的塔壁,受阻后被迫改变方向向上偏折,到达出口截面时，在整个塔体之内,形成一个明显的高气速带, 由于出口截面的压力约束,导致部分到达出口截面的烟气沿右侧塔壁回流,向下与进口高速烟气汇合,这样,在整个塔的上半部分形成一个逆时针方向的大涡。此外,另有一部分进口烟气在冲击塔壁受阻后向下偏折,沿浆液池表面回流至进口段,沿右侧塔壁向上偏折,之后与进口处高速烟气形成合流,也构成一个完整的涡。这2个大尺度的涡即为空塔湍流流场的主要特征。图3-2 无喷淋时流场分布图3.2 有喷淋时喷淋对流场的扰动作用比较强烈,加入喷淋之后,塔内气体湍流速度场模拟结果如图3-3所示。最明显的变化在于,塔内高气速带消失,高气速区域被限制于进口段附近。在烟气进口至