復(fù)雜流體力學(xué)在化工裝置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

江超

(江蘇三吉利化工股份有限公司，江蘇 連云港 222000)

0 引言

化工裝置設(shè)計(jì)中復(fù)雜流體力學(xué)的應(yīng)用可解決多種問題，針對(duì)流體輸送非牛頓流體會(huì)產(chǎn)生剪切稀化現(xiàn)象，導(dǎo)致流體黏度降低，從而影響流體的輸送能力。通過研究復(fù)雜流體力學(xué)，可預(yù)測(cè)剪切稀化的程度，優(yōu)化管道的設(shè)計(jì)和材料的選擇，提高流體的輸送效率。對(duì)于液固兩相流體的分離過程，應(yīng)用復(fù)雜流體力學(xué)可幫助優(yōu)化分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，提高分離效率和產(chǎn)品質(zhì)量。通過研究復(fù)雜流體的流動(dòng)行為，可優(yōu)化裝置的設(shè)計(jì)和操作參數(shù)，提高裝置的性能和效率，滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。

1 復(fù)雜流體力學(xué)相關(guān)概述

復(fù)雜流體力學(xué)是研究非牛頓流體以及其在各種復(fù)雜條件下的流動(dòng)行為的學(xué)科。非牛頓流體是指在流動(dòng)過程中，其黏度隨著剪切速率或剪切應(yīng)力的改變而變化的流體。復(fù)雜流體力學(xué)的研究?jī)?nèi)容包括復(fù)雜流體的流變學(xué)性質(zhì)、流動(dòng)穩(wěn)定性、流動(dòng)模式轉(zhuǎn)變以及流體與固體界面的相互作用等方面。流變學(xué)性質(zhì)是關(guān)鍵的研究?jī)?nèi)容，主要包括黏度、剪切應(yīng)力、剪切速率等參數(shù)。與牛頓流體不同的是，非牛頓流體的黏度不是常數(shù)，而是隨著流動(dòng)條件的改變而變化。這種變化可以是剪切速率的變化，也可以是剪切應(yīng)力的變化，該非線性的流變行為使得復(fù)雜流體的流動(dòng)行為更加復(fù)雜和多樣化。流動(dòng)穩(wěn)定性是指流體在外界擾動(dòng)下是否能保持穩(wěn)定的性質(zhì)，在復(fù)雜流體中因非牛頓性質(zhì)的存在，流動(dòng)穩(wěn)定性常常受到剪切速率、濃度梯度、溫度梯度等因素的影響。

研究流動(dòng)穩(wěn)定性可幫助行業(yè)理解復(fù)雜流體在不同條件下的流動(dòng)行為，從而為各化工設(shè)計(jì)應(yīng)用提供理論支持。流動(dòng)模式轉(zhuǎn)變指的是流體在不同流動(dòng)條件下，流動(dòng)模式從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式的現(xiàn)象。如流體在低剪切速率下可能呈現(xiàn)層流狀態(tài)，而在高剪切速率下可能呈現(xiàn)湍流狀態(tài)。研究流動(dòng)模式轉(zhuǎn)變可幫助行業(yè)深入理解復(fù)雜流體的流動(dòng)特性，并為流體流動(dòng)的控制和優(yōu)化提供指導(dǎo)。另外，復(fù)雜流體力學(xué)還關(guān)注流體與固體界面的相互作用，流體與固體界面的相互作用對(duì)流體的流動(dòng)行為起到重要的影響。如流體與固體界面上可能存在剪切層、滑移層等現(xiàn)象，各種現(xiàn)象將影響流體的流動(dòng)速度和流動(dòng)模式。研究流體與固體界面的相互作用可幫助行業(yè)理解復(fù)雜流體在微觀尺度上的行為，并為界面工程和表面潤(rùn)濕等應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

2 化工裝置設(shè)計(jì)中應(yīng)用復(fù)雜流體力學(xué)的意義及重要性

化工裝置設(shè)計(jì)中應(yīng)用復(fù)雜流體力學(xué)具有重要意義，復(fù)雜流體力學(xué)是研究非牛頓流體、多相流、湍流等復(fù)雜流體行為的學(xué)科，可提供關(guān)于流體流動(dòng)、混合、傳熱和質(zhì)量傳遞等方面的詳細(xì)信息，各種信息對(duì)于化工裝置的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和操作具有重要的指導(dǎo)作用。

2.1 預(yù)測(cè)化工裝置內(nèi)部行為

應(yīng)用復(fù)雜流體力學(xué)可幫助工程師更好理解和預(yù)測(cè)流體在化工裝置內(nèi)部行為。在化工裝置設(shè)計(jì)過程中，流體的流動(dòng)和混合對(duì)反應(yīng)進(jìn)行及產(chǎn)物質(zhì)量、產(chǎn)量有著直接影響，通過模擬和分析復(fù)雜流體行為，可更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)流體的分布、速度和濃度變化，從而優(yōu)化裝置的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)。

2.2 優(yōu)化化工裝置傳熱效率

復(fù)雜流體力學(xué)還可幫助工程師優(yōu)化化工裝置的傳熱效率?；ぱb置設(shè)計(jì)過程中，熱傳遞是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，直接影響著反應(yīng)的速率和產(chǎn)物的質(zhì)量。通過了解流體的熱傳導(dǎo)特性、對(duì)流傳熱和輻射傳熱等機(jī)制，可設(shè)計(jì)更高效的傳熱器、改進(jìn)傳熱表面的結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化流體的運(yùn)動(dòng)方式，從而提高傳熱效率。

2.3 指導(dǎo)化工裝置液體分離及固液分離

復(fù)雜流體力學(xué)還對(duì)化工裝置的流體分離和固液分離等過程具有重要指導(dǎo)作用?；どa(chǎn)中流體分離是一種常見的操作，如液-液相分離、氣-液相分離等。通過對(duì)流體相互作用力、界面特性和離心力等因素的研究，可設(shè)計(jì)出更有效的分離設(shè)備和操作策略，提高分離效率和產(chǎn)品純度。

3 化工裝置設(shè)計(jì)中應(yīng)用復(fù)雜液體力學(xué)存在的問題

化工裝置設(shè)計(jì)中應(yīng)用復(fù)雜流體力學(xué)常面臨多種問題，歸納以下幾點(diǎn)進(jìn)行討論。

3.1 變量與參數(shù)不穩(wěn)定

復(fù)雜流體力學(xué)的計(jì)算模型通常需要考慮多個(gè)物理場(chǎng)的相互作用，例如流體流動(dòng)、傳熱、物質(zhì)傳輸?shù)?，相互作用的存在使得模型的建立和求解變得更加困難，需要考慮更多的變量和參數(shù)。

3.2 非線性及非穩(wěn)態(tài)

復(fù)雜流體力學(xué)中的流動(dòng)現(xiàn)象常具有非線性和非穩(wěn)態(tài)特性，例如湍流流動(dòng)，這種非線性和非穩(wěn)態(tài)的特性使得流體的行為更加復(fù)雜，難以通過簡(jiǎn)化的模型進(jìn)行描述。因此，在應(yīng)用復(fù)雜流體力學(xué)進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)時(shí)，需使用高精度的數(shù)值計(jì)算方法來求解相關(guān)的方程，以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)流體的行為。

3.3 幾何形狀及邊界條件

復(fù)雜流體力學(xué)中的流動(dòng)現(xiàn)象還常受到裝置幾何形狀和邊界條件的影響，裝置的幾何形狀和邊界條件的不同會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)的分布和速度場(chǎng)的變化，從而影響裝置的性能和效果。因此，在進(jìn)行復(fù)雜流體力學(xué)計(jì)算時(shí)，需要考慮裝置的幾何形狀和邊界條件的準(zhǔn)確描述，以獲得可靠的計(jì)算結(jié)果。

3.4 計(jì)算的準(zhǔn)確性問題

復(fù)雜流體力學(xué)的計(jì)算過程通常需要大量的計(jì)算資源和時(shí)間，因模型的復(fù)雜性和計(jì)算的精度要求，計(jì)算過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)于裝置設(shè)計(jì)師來說是一個(gè)挑戰(zhàn)，需在計(jì)算精度和計(jì)算效率之間進(jìn)行權(quán)衡，并選擇合適的計(jì)算方法和計(jì)算平臺(tái)。

3.5 專業(yè)人員的技術(shù)素質(zhì)

復(fù)雜流體力學(xué)的應(yīng)用需專業(yè)技術(shù)人員來進(jìn)行模擬和分析，這便要求設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)具備深厚的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。然而，化工設(shè)計(jì)領(lǐng)域目前普遍缺乏全能型專業(yè)技術(shù)人才，現(xiàn)有的技術(shù)人員一般缺乏對(duì)流體力學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握，造成合格設(shè)計(jì)人才供給短缺。

4 化工裝置設(shè)計(jì)中復(fù)雜液體力學(xué)的應(yīng)用路徑

化工裝置設(shè)計(jì)中復(fù)雜液體力學(xué)的應(yīng)用是關(guān)鍵研究領(lǐng)域，液體在化工裝置中的流動(dòng)行為對(duì)于工藝效率和產(chǎn)品質(zhì)量具有重要影響。因此，深入研究液體的流動(dòng)特性和力學(xué)行為，以及開發(fā)相應(yīng)的數(shù)值模擬方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)優(yōu)化化工裝置的設(shè)計(jì)和運(yùn)行至關(guān)重要。

4.1 流體力學(xué)在液體流動(dòng)行為中的應(yīng)用

通過應(yīng)用流體力學(xué)原理來描述液體在化工裝置中的流動(dòng)行為，可幫助工程師們更好地設(shè)計(jì)和優(yōu)化裝置，提高工藝效率和產(chǎn)品質(zhì)量[1]?；どa(chǎn)過程中，液體的流動(dòng)行為可能受到多種因素的影響，例如裝置的幾何形狀、流體物性參數(shù)、邊界條件等。通過建立質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程，企業(yè)可分析流體在裝置內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。質(zhì)量守恒方程描述液體在裝置內(nèi)質(zhì)量的變化情況，即液體在裝置的進(jìn)口和出口之間的質(zhì)量流量是否平衡；動(dòng)量守恒方程描述了液體在裝置內(nèi)的動(dòng)量變化情況，即液體在裝置內(nèi)的流速、壓力和流動(dòng)方向的變化；能量守恒方程描述了液體在裝置內(nèi)能量的變化情況，即液體在裝置內(nèi)的溫度和壓力的變化。利用各種方程可通過數(shù)值模擬方法來模擬和預(yù)測(cè)液體在裝置內(nèi)的流動(dòng)行為[2]。計(jì)算流體力學(xué)(CFD)是一種常用的數(shù)值模擬方法，通過將裝置劃分為網(wǎng)格單元，將流體力學(xué)方程離散化求解，可得到液體在裝置內(nèi)的流動(dòng)速度、壓力、溫度等物理特性的分布。利于企業(yè)可通過CFD 模擬來預(yù)測(cè)液體在裝置內(nèi)的流動(dòng)行為，從而優(yōu)化流程、減少能源消耗和提高產(chǎn)品質(zhì)量。除數(shù)值模擬方法，實(shí)驗(yàn)方法也是研究液體流動(dòng)行為的重要手段之一。通過設(shè)計(jì)合適的實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量技術(shù)，可直接觀測(cè)和分析液體在裝置內(nèi)的流動(dòng)行為，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.2 流體力學(xué)在液體流變性質(zhì)中的應(yīng)用

液體的流變性質(zhì)對(duì)于裝置設(shè)計(jì)和操作的重要性不可忽視，黏度是液體流變性質(zhì)中一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，決定液體的流動(dòng)阻力和黏附性。根據(jù)液體的黏度設(shè)計(jì)師可選擇合適的管道尺寸和形狀，以減小液體在管道中的阻力，從而提高流動(dòng)效率。黏度還影響著液體的混合和分離過程，在一些化工反應(yīng)中，黏度的變化可導(dǎo)致反應(yīng)物無法充分混合，從而影響反應(yīng)的效果[3]。因此裝置設(shè)計(jì)中需考慮液體的黏度范圍，并采取相應(yīng)的措施來促進(jìn)混合反應(yīng)。 流變應(yīng)力是另一個(gè)重要的流變性質(zhì)，描述液體在外力作用下的變形能力。裝置設(shè)計(jì)中流變應(yīng)力的大小會(huì)影響液體的輸送和處理能力。例如，在流體輸送管道中，如果液體的流變應(yīng)力過大，可能導(dǎo)致管道堵塞或者設(shè)備磨損，從而影響生產(chǎn)效率。

因此，設(shè)計(jì)師需根據(jù)液體的流變應(yīng)力特性選擇合適的材料和裝置結(jié)構(gòu)，以確保正常的液體輸送和處理過程。除黏度以及流變應(yīng)力，亦存在其他流變性質(zhì)對(duì)裝置設(shè)計(jì)和操作有著重要影響。例如，流變性質(zhì)還包括剪切應(yīng)力、彈性模量等，各種參數(shù)的選擇和控制將直接影響液體在裝置內(nèi)的流動(dòng)行為和性能[4]。因此，裝置設(shè)計(jì)中工程師需全面了解液體的流變性質(zhì)，并結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和操作，可提高裝置的效率、降低能耗，并確保裝置內(nèi)的流動(dòng)行為符合預(yù)期。

4.3 流體力學(xué)在能源開發(fā)中的應(yīng)用

復(fù)雜流動(dòng)力學(xué)的研究有助于解決與環(huán)境保護(hù)和能源開發(fā)相關(guān)的問題，例如，針對(duì)液體在管道中流動(dòng)行為的深入理解，可幫助企業(yè)設(shè)計(jì)更高效的輸油管道系統(tǒng)，減少能源損耗和環(huán)境污染。對(duì)于液固兩相流動(dòng)的研究，可幫助企業(yè)改進(jìn)廢水處理技術(shù)，提高處理效率和減少廢水排放的對(duì)環(huán)境的不良影響。多相流動(dòng)研究中流體力學(xué)的基本原理和模型是不可或缺的工具，通過建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型和方程組，設(shè)計(jì)師可對(duì)多相流動(dòng)中的各種參數(shù)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。例如，通過對(duì)流體速度、壓力、濃度等參數(shù)的計(jì)算和模擬，可了解到不同相態(tài)物質(zhì)在流動(dòng)過程中的分布和變化規(guī)律，信息對(duì)于化工裝置的設(shè)計(jì)和操作都具有重要意義[5]。

由于多相流動(dòng)的復(fù)雜性和非線性特性，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的建模和計(jì)算仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。因此，設(shè)計(jì)師們不斷努力尋找更精確、更有效的模型和方法，以便更好理解和控制多相流動(dòng)的行為。也可借助先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算機(jī)模擬手段，可更加深入地探索多相流動(dòng)的機(jī)理和特性，為化工工藝發(fā)展提供更有力的支持。通過研究多相流動(dòng)的特性和機(jī)理，可優(yōu)化化工過程的設(shè)計(jì)和操作，提高效率和產(chǎn)品質(zhì)量，還有助于解決環(huán)境保護(hù)和能源開發(fā)等方面的問題。

4.4 提高技術(shù)人員流體力學(xué)的應(yīng)用能力

化工裝置設(shè)計(jì)中復(fù)雜液體力學(xué)的應(yīng)用是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，而技術(shù)人員卻是應(yīng)用的關(guān)鍵因素，這便需要技術(shù)人員具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識(shí)，通過熟悉流體力學(xué)、傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)等相關(guān)的基本理論，了解其在復(fù)雜液體力學(xué)中的應(yīng)用。可通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)和培訓(xùn)，包括參加相關(guān)課程、研討會(huì)和工作坊等方式，顯著提高技術(shù)人員綜合能力。

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)于技術(shù)人員的提升也是至關(guān)重要的，應(yīng)在合適的時(shí)機(jī)參與到實(shí)際的化工裝置設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，親身體驗(yàn)復(fù)雜液體力學(xué)的挑戰(zhàn)和解決方法，可通過實(shí)習(xí)、項(xiàng)目參與或者合作研究等方式來實(shí)現(xiàn)。技術(shù)人員還應(yīng)積極關(guān)注和學(xué)習(xí)最新的研究成果和技術(shù)發(fā)展，復(fù)雜液體力學(xué)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用一直在不斷進(jìn)步，新的理論、方法和工具不斷涌現(xiàn)，技術(shù)人員應(yīng)通過閱讀學(xué)術(shù)文獻(xiàn)、參加學(xué)術(shù)會(huì)議和與領(lǐng)域?qū)＜医涣鞯确绞?，不斷更新自己的知識(shí)和技能[6]。

技術(shù)人員還應(yīng)具備良好的團(tuán)隊(duì)合作和溝通能力，復(fù)雜液體力學(xué)的應(yīng)用往往需要多個(gè)領(lǐng)域的專家共同協(xié)作，技術(shù)人員需要能夠與其他團(tuán)隊(duì)成員有效溝通和合作，共同解決問題。只有技術(shù)人員不斷提高自己的能力，才能為化工裝置設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的復(fù)雜液體力學(xué)問題提供有效的解決方案。

5 結(jié)語

綜上所述，應(yīng)用復(fù)雜流體力學(xué)在化工裝置設(shè)計(jì)中具備重要意義，可幫助石化企業(yè)的化工設(shè)備設(shè)計(jì)師和工程師們更好理解和預(yù)測(cè)流體的行為，優(yōu)化裝置的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)，提高傳熱效率，改進(jìn)分離過程，從而實(shí)現(xiàn)化工生產(chǎn)的高效、安全和可持續(xù)發(fā)展。