机械前沿讲座作业论文Word格式.docx

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ModernCFDtechnologyhasbecomematureandpracticalafterevolvingoverthreestages.NowitispossibleforpeopletousecommercialCFDsoftwaretosolveanyflowproblems.TheuseofCFDinengineeringrelatedwithflowhasbeengrowingandhasproveditsadvantagesincomputeraideddesignsuchasprototypedesign,parametricdesign,visualexperiment,anddesignoptimizationetc.Inthispaper,severalpracticalengineeringproblemssolvedbyCFD（ComputationalFluidDynamics）Technologyareexpounded,whichprovesthatCFDTechnologyisanimportantresearchmethodwithhighefficiency,especiallyforthepurposeofrealizingthegoalsofhighefficiency,lessconsumption,environmentalprotectionandwasteutilization,CFDtechnologycanexertitseffectthatotherresearchmethodcannotdointhedevelopmentofthenewtypedry-processcementproduction.

BasedontheoneofthemostpopularCFDsoftwarepackage–FLUENT，andintegratedwiththecommissioningtaskofLarfageZambiaCHILANGA2000t/dproductionline,thethermalflowfieldinsidethepredecompositionsystemisachievedinthisdissertationforthefirsttimebysolvingseveralkeyproblemsthathavenochoicebuttobesolvedforthestudyofsystemflowfield,suchastheboundaryalgorithmofcycloneashoutletetc.InordertoexplainthatCFDtechnologyinNSPcementindustrialapplication.

Keywords:

CFDtechnology;

newtypedry-process;

cement;

rotarykiln

1前言

CFD软件（ComputationalFluidDynamics,即计算流体动力学,简称CFD。

CFD是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。

它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。

　　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，求解结果能预报流动、传热、传质、燃烧等过程的细节，并成为过程装置优化和放大定量设计的有力工具。

计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技术中产生巨大的影响。

　是目前国际上一个强有力的研究领域,是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术,广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设计、半导体设计等诸多工程领域,板翅式换热器设计是CFD技术应用的重要领域之一。

CFD技术用途非常广泛,大到飞机、火箭、船舶、建筑物、汽车等的外部流场和化学反应器、发动机、锅炉等内部反应、燃烧、传热、传质过程的仿真模拟,小到喷墨打印机喷墨、人体微血管内血液流动过程的仿真模拟。

在这个领域内国际上流行一句经典的话,叫做“如果是流态的,我们就可能对它进行分析”。

2计算流体动力学

CFD在最近20年中得到飞速的发展,除了计算机硬件工业的发展给它提供了坚实的物质基础外,还主要因为无论分析的方法或实验的方法都有较大的限制,例如由于问题的复杂性,既无法作分析解,也因费用昂贵而无力进行实验确定,而CFD的方法正具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。

经过一定考核的CFD软件可以拓宽实验研究的范围,减少成本昂贵的实验工作量。

在给定的参数下用计算机对现象进行一次数值模拟相当于进行一次数值实验,历史上也曾有过首先由CFD数值模拟发现新现象而后由实验予以证实的例子。

CFD软件一般都能推出多种优化的物理模型，如定常和非定常流动、层流、紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等等。

对每一种物理问题的流动特点,都有适合它的数值解法,用户可对显式或隐式差分格式进行选择,以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。

CFD软件之间可以方便地进行数值交换,并采用统一的前、后处理工具,这就省却了科研工作者在计算机方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动,而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。

实验测量方法所得到的实验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础，其重要性不容低估。

然而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有时可能很难通过单纯的试验方法得到结果。

此外，实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。

CFD方法恰好克服了前面两种方法的弱点，在计算机上实现一个特定的计算。

就好像在计算机上做一次物理实验。

例如，机翼的绕流，通过计算并将其结果在屏幕上显示，就可以看到流场的各种细节：

如激波的运动、强度，涡的生成与传播，流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随时间的变化等。

数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验没有什么区别。

1.1计算流体动力学的特点

CFD的长处是适应性强、应用面广。

首先，流动问题的控制方程一般是非线性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解，而用CFD方法则有可能找出满足工程需要的数值解；

其次，可利用计算机进行各种数值试验，例如，选择不同流动参数进行物理方程中各项有效性和敏感性试验，从而进行方案比较。

再者，它不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。

CFD也存在一定的局限性。

首先，数值解法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上合理、数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限数学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上的数值解，并有一定的计算误差；

第二，它不像物理模型实验一开始就能给出流动现象并定性地描述，往往需要由原体观测或物理模型试验提供某些流动参数，并需要对建立的数学模型进行验证；

第三，程序的编制及资料的收集、整理与正确利用，在很大程度上依赖于经验与技巧。

此外，因数值处理方法等原因有可能导致计算结果的不真实，例如产生数值粘性和频散等伪物理效应。

最后，CFD涉及大量数值计算，因此，常需要较高的计算机软硬件配置。

CFD有自已的原理、方法和特点，数值计算与理论分析、实验观测相互联系、相互促进，但不能完全替代，三者各有各的适用场合。

在实际工作中，需要注意三者有机的结合，争取做到取长补短。

1.2CFD的软件介绍

目前比较好的CFD软件有：

CFX、Fluent、Phoenics、Star-CD，除了Fluent是美国公司的软件外，其它三个都是英国公司的产品。

这里以FLUENT为例介绍。

FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%。

举凡跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。

它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。

其在石油天然气工业上的应用包括：

燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散/聚积、多相流、管道流动等等。

Fluent的软件设计基于CFD软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，FLUENT软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。

基于上述思想，Fluent开发了适用于各个领域的流动模拟软件，这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象，软件之间采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。

GAMBIT设置几何形状生成2D或3D网络

图1基本程序结构示意图

利用fluent软件进行流体流动与传热的模拟计算流程如图1所示。

首先利用GAMBIT进行流动区域几何形状的构建、边界类型以及网格的生成，并输出用于fluent求解器计算的格式；

然后利用fluent求解器对流动区域进行求解计算，并进行计算结果的后处理。

3CFD技术与我国水泥工业

水泥工业不但具有典型的多相流动、传热、燃烧、化学反应等特征，而且拥有任何其它工业的热工化学过程所不具备的特征——燃料燃烧与原料分解过程存在于同一个化学过程空间同时进行，且相互耦合，这一方面致使水泥工业的热工化学过程更为复杂，另一方面也造就了CFD技术在我国水泥工业具有广阔应用前景。

在水泥工程中，CFD作为一种研究气固多相流流动和反应的重要工具，被广泛接受，带动了行业技术研究方法的变革和创新，加快了工程应用技术的研究步伐。

近些年来国际上新型干法水泥生产技术在实际的工业生产中得到了广泛的推广和应用,而且产量越来越大,现在已经发展到10000t/d的规模。

为适应这种形势发展的需要,以及人们对“高效、低能耗、低污染物排放”要求的提高,对新型干法窑外预分解窑的设备及工艺的机理的研究得到了广泛的开展。

在对流场的研究中,研究者在不断完善实验方法,也在根据理论模型进行数值模拟来研究预热器、分解炉内的流动状况,尤其是随着计算机软硬件、并行计算等技术的飞速发展,CFD技术在解决实际工程流动、传热的问题实践中得到了不断的成熟和完善,并得到了越来越多的工程实践的验证。

本文中以此为切入点介绍CFD技术在我国水泥工业的应用。

CFD技术在水泥工业装备的设计、研发中所具有的现实意义如下:

1.对已有装备的进行仿真分析研究，指导设备改进。

运用计算流体动力学技术对已建工程中关键设备进行热态仿真分析研究，得到较精确的模拟分析结果，对已掌握的热工标定数据、经验数据、现场控制参数、现场可测试参数数据的比较分析，验证应用计算流体动力学技术模拟仿真结果的准确性与合理性，同时增加使用计算流体动力学技术的经验。

在此基础上进一步模拟分析各种改进设想的可行性和改进后的使用效果，将设备改造的风险降到最低限度。

2.对新研发的装备进行模拟分析研究，指导新设备的设计。

对于处于研发状态的新型装置或设备，提出初步方案后后，先运用计算流体动力学技术进行设备的性能预测和分析，预测分析结果对优化结构参数具有重要的指导意义，然后对优化结果进行模型实验研究，验证实际应用的可行性，在此基础上，可运用计算流体动力学技术进行直接工程放大预测，推广应用。

3.消化吸收国外技术。

在水泥行业，国内近几年纷纷引进了不少国外先进的设备、工艺，如国外知名企业拉法基将先进技术设备大举打入国内市场甚或直接在国内投资办厂。

虽然我国水泥工业同时也取得了长足的进步，但在消化吸收开发自主知识产权的产品方面进展缓慢，与此同时，给国内水泥行业提出了巨大的挑战。

在这种形势下，能否消化吸收国外技术，并且在此基础上开发自己产权的产品便成为国内水泥行业在日趋激烈的国际市场上兴衰成败的关键一环。

应用CFD技术的计算机仿真技术以其高效率、低成本的优势已在航空航天、汽车、船舶等领域取得了累累硕果，将其移植于水泥行业以实现提高消化吸收国外技术的能力是必要的也是完全可能的。

3.1新型干法水泥生产

新型干法水泥主要采用了带预分解炉的旋风预热器窑外分解技术。

该技术是将水泥生料粉的预热和绝大部分碳酸钙的分解过程,置于窑外的预热器和分解炉中进行,使窑的长度大大缩短,热耗明显降低,产量大幅度提高。

其生产过程包括窑外预热分解、窑内煅烧、熟料冷却、废气处理和煤粉制备等工序。

分解炉是预分解系统的核心部分,主要承担预分解窑系统中煤粉燃烧、气固换热和碳酸盐分解的任务。

带有悬浮预热器和分解炉的回转窑煅烧系统,是在悬浮预热器窑的基础上发展起来的,又称新预热器窑简称NSP窑。

新干法水泥生产的过程通常分为以下三个阶段:

第一阶段生料准备和生料制备；

第二阶段熟料烧成；

第三阶段水泥制成及出厂。

1.生料准备和生料制备

生料制备阶段主要任务是把石灰石和辅助生料经过物理处理达到烧成系统需要的生料。

生料磨系统是水泥生产的第一个核心工艺流程,物料从磨机出来后就是熟料了,进入熟料库,使得不同成分不同细度的生料进一步进行均化,融合以供应后面的水泥烧成系统。

2.熟料烧成

烧成部分是新型干法水泥生产中最重要的一部分,它由窑外预热、分解、窑内锻烧、熟料冷却及废气处理组成。

3.水泥翻成及出厂

熟料加适量石膏、矿渣后经水泥磨共同磨细成粉状的水泥,包装或散装即可出厂。

3.2窑尾预分解系统中预热器的热态流场分析

本文以中材建设有限公司的海外项目——拉法基赞比亚CHILANGA2000t/d生产线的窑尾预分解系统为例说明CFD技术在新型干法水泥工业中的应用。

该课题的研究目的是为了掌握新型干法水泥生产窑尾预分解系统热态流场规律，建立一套具有通用性的窑尾预分解系统热态流场研究方法，从而更好指导新型干法水泥生产的工程设计及工业生产实践。

为掌握窑尾预分解系统的更为真实的流场规律，有必要开展窑尾预分解系统热态流场的研究，这对于指导国内水泥工业向节能、降耗、利废、环保生态型发展具有重要的现实意义，对于提升我国水泥工业的技术水平和国际竟争力、推动我国由水泥生产大国向水泥生产强国迈进也具有重要的战略意义。

新型干法水泥生产的窑尾预分解系统主要包括预热器、分解炉二个主机设备。

下面从二个主机设备在预分解烧成系统中的作用及其同实现水泥生产节能、降耗、利废、环保生态发展目标的关系，阐明开展窑尾预分解系统热态流场的研究意义。

⑴预热器

预热器是集生料预热、气固分离、生料水分蒸发、部分碳酸盐分解等物理化学过程为一体的重要设备，科技人员对它的研究从未停止过，其主要由各级旋风筒及连接管道组成。

预热器的主要性能指标为换热效率、系统阻力、系统收尘效率。

由于预热器换热效率的94%是在各级旋风筒的连接管内完成的，所以作为预热器的旋风筒，其性能优劣主要表现在收尘效率、阻力及漏风问题这三个方面。

预热器通过多级旋风筒串联来提高换热效率和分离效率，但每级旋风筒都存在阻力，多级连接增加了系统阻力和能耗。

所以需要在不增加级数的前提下，通过合理设计旋风筒的结构，构造出合理的内部流场分布，使旋风筒能同时具有高收尘效率、低阻力性能；

此外，由于预热器的换热效果主要通过各旋风筒的连接管道完成，从而研究各连接管内的气固热交换模型及工程计算方法，开发更为合理的布料方式和撒料形式，对提高预热器的系统换热效率具有重要的意义。

本课题通过对窑尾预分解系统热态流场的研究，旨在建立一种通用的预热器流场的研究方法，该方法具有综合反映预热器系统收尘效率、系统阻力及系统换热效率的能力，这对于指导开发高效、低耗新型预热器具有重要的理论和现实意义。

⑵分解炉

分解炉是窑尾预分解系统的核心设备，其属于高温气-固反应器。

炉内为气-固两相流动、煤粉燃烧、生料分解，同时伴有旋流回流复杂流场。

煤粉燃烧放热过程与生料分解吸热过程在一个空间内呈悬浮状态同时进行且相互影响，这是其它燃烧工况所不具备的特征。

分解炉使水泥生料的分解反应从回转窑内堆积状态下进行转移到分解炉内悬浮状态下进行，不仅使传热速度大大加快，而且使分解后的产物从粉料表面向气流中扩散的传质速度也加快，从而加速生料分解过程，大大提高生料的分解率。

由于预热器系统热态气固两相流场分析和分解炉耦合流场研究两个问题比较复杂，在此以预热器系统热态气固两相流场研究为例说明。

3.2.1窑尾预分解系统几何模型及网格划分

根据工程制作图纸，采用三维建模软件建立窑尾预分解系统的几何模型，如图2所示。

计算网格除了各旋风筒进风管的弯头区采用四面体非结构网格外（如图3所示），其余均采用六面体结构网格，共计生成329018网格，其中六面体结构网格279840个，占计算网格总数的85.05%，四面体非结构网格49178个，占计算网格总数的15.95%。

预热器系统热态气固两相流场模拟结果分析：

图4图7为系统投料量等于37.96kg/s时系统模拟的预热器各单体的部分轴剖面温度云图。

图2窑尾预分解系统的几何模型

图3系统计算网格

图4C1-C2轴剖面及C1撒料箱轴剖面温度云图

图5C3轴剖面及C2撒料箱轴剖面温度云图

图6C3-C4撒料箱及C4轴剖面温度云图

图7C5分解炉轴剖面温度云图

图4、图5所示的C1、C2、C3的轴剖面及撒料箱轴剖面温度云图表明，气固两相在风管内基本完成了气固热交换过程，因此在旋风筒涡壳及锥筒内基本不再有温度的变化。

对比图6与图4、图5，不难发现气固两相在C4进风管内的热交换效果没有C1、C2、C3的进风管内的热交换效果明显，从而气固两相进入C4的涡壳及锥筒后仍有相当部分的热交换过程，此即为C4的涡壳及锥筒内温度云图中存在温度变化的主要原因。

图7中分解炉出口平均温度898.73℃，最高达1011.37℃，而C5灰斗出口的平均温度仅849.96℃，说明生料从分解炉进入C5后又继续发生了分解，吸收了分解炉气流所携带的大量热焓，使得气固两相的温度得以降低，此即为C5的涡壳及锥筒的轴剖面温度云图中存在温度变化的主要原因。

生料在分解炉内没得到充分分解是导致分解炉出口温度过高的主要原因。

4结语

CFD技术发展到今天,已逐渐作为一种新手段而日益受到重视并得以广泛地应用和发展,并在诸如航空航天等高科技领域中得到了众多工程实践的证实。

CFD技术对这些领域中流动、传热、燃烧、化学反应、多相流等问题的高精度数值预测使其在越来越多的工程中得到推广和应用。

如上述例子所示窑尾预分解系统中流场分析，用直观的方式在计算机上“做实验”并很快得到实验结果，非常方便地对生产过程进行分析并且将结果投入实际生产中后也和CFD分析结果较为吻合。

因此,将CFD技术应用到新型干法水泥生产工程中具有成熟的理论基础及大量的工程实践经验,如能结合新型干法水泥生产的工况特点,必将大大促进新型干法水泥生产技术的高效、低耗、环保、利废方向的发展。

参考文献

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