计算流体力学在环境工程中应用进展

1、计算流体力学在环境工程中的应用进展,计算流体力学简介computational fluid dynamics,计算流体动力学（CFD)是流体力学的一个分支，用于求解流体的流动和传热问题。 CFD技术是20世纪60年代伴随计算机技术而发展起来的，是集流体力学、数值计算方法以及计算机图形学于一体，利用相应的数值计算方法求解数学方程和预测动量传递、热量传递、质量传递、化学反应以及相应的物理现象的一门科学。 目前商业CFD软件主要有：Fluent、CFX、Phoenics、StarCD，其中Fluent应用较多。,CFD的基本思想：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有

2、限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。,计算流体力学的应用,下面仅以在环境工程领域的应用为例,介绍计算流体力学应用于工程实际中的速度和深度。,1 计算流体力学在脱硫工艺中的应用,脱除煤气中大量酸性气体H2S、HCN 等尤其重要。一些简单的流动情况，可通过已有的经验或半经验关联式进行预测，但它们不能呈现出整体的流动效果。 湿法烟气脱硫(WFGD)是大型燃煤电厂烟气脱硫的主导技术，而此法所需试验量大、费用高且获得的数据较有限。随着CFD的发展，可以弥补传统方法的缺陷，减少物理模型试验，缩短研发周

3、期，节约研究经费，还可获取大量局部、瞬时数据，从而可指导工程的设计和优化。,例：一种具体的脱硫工艺,模型基本假设,(1) 气相为连续相，液体相为离散相; (2) 气体吸收操作过程为稳态，且液体不可压缩 (3) 仅仅气相中 H2S 组分被碳酸钾溶液吸收，溶剂水不向气相中传递; (4) 熔解热和反应热产生的同时被液相吸收，忽略填料对热传导的影响; (5) 忽略气相与液相间热量传递; (6) 气体吸收过程是绝热的。,数学模型,数值模拟对象 吸收塔入口处烟气速度为 6 m/s，喷枪喷射浆液流速度为 25 m/s。,脱硫吸收塔内部流场分析,综上所述，从脱硫吸收塔整体及喷枪局部速度云图和流线可知，FLUE

4、NT 具备较好的模拟脱硫吸收塔在脱硫过程中烟气和浆液流动的能力。,CFD在膜生物反应器研究中的应用,膜生物反应器是生物和膜分离技术结合的一种生物化学反应器,在水处理及中水回用领域应用广泛。膜生物反应器的设计涉及到膜污染、工艺运行稳定、成本和能耗等问题。随着CFD技术的出现,近来已经有一些学者运用CFD为膜生物反应器的优化开展研究工作和提供优化的设计参数,与现有的MBR物理模型相结合,能够更好的描述MBR工艺情况。 MBR物理模型列于表中：,MBR物理模型表,膜生物反应器构型方面的研究,Brannock等通过CFD软件中的mixture模型模拟了外置式和浸没式流速分布和气体分布情况,更直观的表征

5、了两种构型的水力学条件。如图所示。,Prieske等通过CFD商业软件中的CFX软件,采用EulerianEulerian模型研究模拟得出结论。气升循环膜生物反应器内循环流速的大小取决于膜组件的形(长度、厚度以及间距等和气泡大小。他发现安放膜组件后反应器内气含率明显降低,下降流中气泡较少。,国内也有一些学者做了类似研究,例如2008年,韩杰等用FLUENT软件中的多相流Eulerian模型,对曝气场内部的流态进行了模拟分析,结果得到包括气液两相多个截面的速度场及局部气含率分布等信息,为反应器内水力学研究提供了依据。,流态模拟图,CFD在膜技术领域研究中存在的问题和展望,存在问题 1.研究运用有

6、待开发和拓展。 2. CFD是一门需要理论与实际相结合的交叉科学。,展望 在膜组件设计优化方面,随着CFD模型的不断完善,模拟将更加符合实际情况,提供更具指导意义的研究结果和设计依据。 CFD更多的与其他技术相结合,以便更好的验证模拟的准确性。 随着CFD技术在国内认知度的提高和逐渐引起重视,会有更多的学者将其引入到膜技术研究开发中,使其有望成为一个膜技术研究的重要工具。,CFD噪声数值模拟,空腔噪声在航空航天工程等领域日益受到重视，如飞行器的起落架舱、内埋弹舱等。脉动压强产生的空腔噪声是影响结构寿命和乘坐舒适的因素之一，因此研究空腔流动噪声具有重要的理论价值和实际意义。近年来，随着数值方法的

7、发展，结合大涡模拟（）和雷诺平均方程（）的脱体涡数值模拟（）方法的出现，使得在非定常大分离流的数值模拟在成本和可信度上得到了平衡。,数值模拟方法,控制方程 任意拉格朗日欧拉（）形式的雷诺平均控制方程为 其中,2 物面函数,面函数可以使用较稀的网格来合理的模拟壁面区域的流动，这样既可以保证数值模拟的精确性，又降低了数值模拟的计算成本，减轻了复杂外形网格生成的工作量。 本文采用White-Christoph的可压缩物面函数：,数值算例及分析,空腔采用的实验外形，几何尺寸宽为0.1016，长为0.508，深为0.1016，来流马赫数为1.19和雷诺数为12.3106。计算网格采用六面体网格，网格总单

8、元数为110万，如图所示：,由这样的计算结果可得在进行此类空腔的非定常流场数值模拟时两种模型均是适用的。,计算流体力学在烟气扩散模拟中的应用,创建几何模型 运用缩小实验尺寸模拟，空间尺寸为半径10m，高1Om的圆柱，烟囱高度sm，烟囱直径1.0m，在CFX中建立实体模型，模型示意如下图。,划分网格,网格为四面体网格，设置网格间距为lm，网格自动生成，53018个四面体单元和12678个中心点。如下图:,模拟结果,最初烟气在不同浓度时(分别为0.5kg/m3、0.1kg/m3 、0.05kg/m3 、0.01kg/m3 、0.005kg/m3 、0.001kg/m3)的烟气形态变化情况如下图:,可见，模拟烟气排放采用CFD软件演示了一个简单例子，由于实测资料的缺乏，本文的模拟结果分析偏向于定性分析，抛砖引玉，为烟气扩散模拟方法提供一种探索方向。由于烟气扩散的复杂性，在实际情况中,地形起伏、障碍物分布、大气温度层结以及周围环境的风速，温度随高度的变化，都对其扩散有影响。在今后的实际应用中应与实际情况相结合，用详尽的实测资料借助于计算机图形的强大功能，对烟气的实际情况进行仿真模拟。,通过对计算流体力学的了解，我们发现CFD在环境工程中已经得到初步的应用。在环境污染扩散及控制中，总有流动的介质，有些比较难以预测