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一.認識CFD

CFD是英文Computational Fluid Dynamics(計算流體動力學)的簡稱。它是伴隨著計算機技術數值計算技術的發展而發展的。簡單地說,CFD相當于"虛擬"地在計算機做實驗,用以模擬仿真實際的流體流動情況。而其基本原理則是數值求解控制流體流動的微分方程,得出流體流動的流場在連續區域上的離散分布,從而近似模擬流體流動情況。可以認為CFD是現代模擬仿真技術的一種。

二.為什么用CFD

     CFD具有成本低、速度快、資料完備且可模擬各種不同的工況等獨特的優點,故其逐漸受到人們的青睞。CFD方法具有不可比擬的優點,且由于當前計算機技術的發展,CFD方法的計算周期和成本完全可以為工程應用所接受。盡管CFD方法還存在可靠性和對實際問題的可算性等問題,但這些問題已經逐步得到發展和解決。

三.什么是CFD

         什么是CFD?簡單地說,CFD就是利用計算機求解流體流動的各種守恒控制偏微分方程組的技術,這其中將涉及流體力學(尤其是湍流力學)、計算方法乃至計算機圖形處理等技術。

因問題的不同,CFD技術也會有所差別,如可壓縮氣體亞音速流動、不可壓縮氣體的低速流動等。對于煙氣冷卻領域內的流動問題,多為低速流動,流速在10m/s以下;流體溫度或密度變化不大,故可將其看作不可壓縮流動,不必考慮可壓縮流體高速流動下的激波等復雜現象。從此角度而言,此應用范圍內的CFD和數值傳熱學NHT(Numerical Heat Transfer)等同。另外,煙氣冷卻領域內的流體流動多為湍流流動,這又給解決實際問題帶來很大的困難。由于湍流現象至今沒有完全得到解決,目前HVAC內的一些湍流現象主要依靠湍流半經驗理論來解決。

總體而言,CFD通常包含如下幾個主要環節:建立數學物理模型、數值算法求解、結果可視化。

 

3.1建立數學物理模型

建立數學物理模型是對所研究的流動問題進行數學描述,對于煙氣冷卻工程領域的流動問題而言,通常是不可壓流體的粘性流體流動的控制微分方程。另外,由于暖通空調領域的流體流動基本為湍流流動,所以要結合湍流模型才能構成對所關心問題的完整描述,便于數值求解。

如下式為粘性流體流動的通用控制微分方程,隨著其中的變量f的不同,如f代表速度、焓以及湍流參數等物理量時,上式代表流體流動的動量守恒方程、能量守恒方程以及湍流動能湍流動能耗散率方程。基于該方程,即可求解工程中關心的流場速度、溫度、濃度等物理量分布。

 

3.2數值算法求解

上述的各微分方程相互耦合,具有很強的非線性特征,目前只能利用數值方法進行求解。這就需要對實際問題的求解區域進行離散。數值方法中常用的離散形式有:有限容積,有限差分,有限元。目前這三種方法在煙氣冷卻工程領域的CFD技術中均有應用。總體而言,對于煙氣冷卻領域中的低速,不可壓流動和傳熱問題,采用有限容積法進行離散的情形較多。它具有物理意義清楚,總能滿足物理量的守恒規律的特點。離散后的微分方程組就變成了代數方程組,表現為如下形式 可見,通過離散之后使得難以求解的微分方程變成了容易求解的代數方程,采用一定的數值計算方法求解式表示的代數方程,即可獲得流場的離散分布。從而模擬關心的流動情況。

 

3.3結果可視化

上述代數方程求解后的結果是離散后的各網格節點上的數值,這樣的結果不直觀,難以為一般工程人員或其他相關人員理解。因此將求解結果的速度場溫度場濃度場等表示出來就成了CFD技術應用的必要組成部分。通過計算機圖形學等技術,就可以將我們所求解的速度場和溫度場等形象、直觀地表示出來。如下圖2所示即為某會議室側送風時的速度場和溫度場。其中顏色的暖冷表示溫度高低,矢量箭頭的大小表示速度大小。

可見,通過可視化的后處理,可以將單調繁雜的數值求解結果形象直觀地表示出來,甚至便于非專業人士理解。如今,CFD的后處理不僅能顯示靜態的速度、溫度場圖片,而且能顯示流場流線跡線動畫,非常形象生動。

四.應用案例

工程案例:江門市某發電廠2×150MW機組煙氣SNCR脫硝工程

運用CFD技術尋找合適的SNCR脫硝反應溫度窗口位置,以及模擬還原劑與煙氣的混合情況,SNCR脫硝系統噴槍設計進行優化選型(噴槍形式、噴射角度和噴射速度等),為工程設計提供參考依據。

 

 

 

優化前,布置4支噴槍,還原劑霧滴蒸發所需時間較長,氨濃度分布不均,偏向一側,脫硝效率低;優化后,增加3支噴槍,還原劑霧滴蒸發所需時間有所縮短,氨濃度分布均勻,有利于提高脫硝效率。

CFD建模


還原劑霧滴軌跡

 

氨濃度分布

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