计算流体力学数值计算在化工原理实践课程教学中的应用

＊朱奎松 赵英涛 曹丽 王军

（攀枝花学院 钒钛学院 四川 617000）

《化工原理》课程是化学类专业的一门专业基础课程，课程教学的主要内容是化学反应操作单元的动量传输、热量传输和质量传输的基本理论。该课程在学习过程中除了要求学生掌握必要的基本原理之外，同时也对培养学生工程应用思维和处理工程应用问题方面具有重要作用[1-3]。目前，化学反应操作单元的基本原理主要是在理论教学过程中完成，而将这些基本反应原理和理论知识巩固和强化后，反应器设计等工程思维的方面应用还需要在实践教学过程中完成。因此，为了实现化学类专业学生深入了解《化工原理》课程中涉及到的基本原理并且能进一步培养学生的工程应用思维，化工原理实践教学在教学过程中就显得十分重要，也是应用型人才培养的一个关键环节。

基于此，结合目前信息技术和计算机发展的现状，提出了在化工原理实践教学过程中引入一种基于计算流体力学数值模拟仿真的教学方法，该方法是以化工原理中描述化学反应操作单元内传递现象的基本数理方程为基础，辅助化学反应操作单元的反应器进行数学模型和几何模型建立，在基本操作条件和化学反应条件下采用计算流体力学软件进行数值计算，预测化学反应操作单元中的动量传递、热量传递和质量传递过程。通过观察数值模拟结果能够对化学反应过程中涉及到的高温、高压和复杂性传输问题进行直观观察。最后以化工原理实践课程中流体力学实验项目为基础，分析了这种教学方法在化工原理实践教学过程中的应用情况。

1.化工原理实践课程教学体系

化工原理实践课程教学体系如图1所示，课程主要包括以下几个方面的内容：综合流体力学实验、离心泵操作单元仿真实验、固定床反应器单元仿真实验、吸收解吸单元仿真实验和液-液萃取实验。以综合流体力学实验为例分析可知，综合流体力学实验主要包括的实验项目有：卡门涡街实验、雷诺实验和流量系数测定实验，实验类别为综合型，设置的主要目的是让学生通过实验操作深入了解流体力学中动量传递的基本原理；除此之外，其他单元的实验项目设置基本集中在仿真操作，仿真操作主要集中在虚拟仿真的操作和解决仿真过程中出现问题等方面的训练，大部分实验均是验证型。

图1 化工原理实践课程构成体系

从上述化工原理实践课程构成体系分析可知：实践课程的实验项目设置大多数集中在虚拟仿真方面，对于实验操作训练仅表现在综合流体力学实验部分，不能揭示化学反应单元的基本传递过程，比如：动量传递和热量传递。因此学生在实验操作过程中都是以熟悉仿真软件为主，反复修改仿真单元的参数去获取较好的仿真输出成绩。这样的仿真实验忽略了化工原理实践课程开设的本质问题：巩固强化《化工原理》课程中涉及到化工操作单元的基本原理和培养学生的工程应用思维；更为重要的是开展这一类实验项目，学生在课后进行实验报告撰写时也只能够单纯地描述一些课本上提到的现象，而对数据处理或者基于化工原理传递现象进行数据分析是十分缺乏的，这样也不能将《化工原理》课程中提及的化学反应操作单元的基本原理应用于解决工程问题中，限制了化工类工程应用思维的发展。

2.化工原理实践课程教学方法改革

为顺应化工类应用型人才的培养，在现有课程教学体系中应当适当引入一些新的教学方法，该教学方法的本质是将《化工原理》课程中涉及到描述化学反应操作单元内的基本传输问题的基本理论应用于实验教学过程中，揭示化学反应操作单元内涉及基本传输问题，使学生能够深刻理解化学反应操作单元内基本传输问题的本质，并将这些基本的传递理论应用于实验数据分析和处理过程中。基于计算流体力学在化工原理实践课程中教学方法改革的主要内容如图2所示。

图2 计算流体力学数值计算在化工原理实践课程中教学方法改革的主要内容

从图2中可以看出，化工原理课程中描述流体运动过程中动量传输主要的方程包括：连续性方程、动量守恒方程、机械能守恒方程；根据实际流体流动特征还可能包括：牛顿粘性定律和湍动能方程。实践教学过程中为了促进学生掌握这些基本数理方程，通常设定的动量传输实验内容包括：流量系数测定、二维圆管流动和雷诺实验等；但是在实验操作过程中往往每一个实验中都包含了动量传递过程的所有方程，实际流动过程中的数理方程是相互耦合的，不能单一对某一个数理方程设计对应的实验进行验证，这样导致实验结果分析相对繁杂，初学者即不能掌握传递过程的基本数理方程，也不能够将理论知识运用于实践，这样就失去了对应用型人才培养意义。

基于此，论文提出采用计算流体力学数值计算方法对流体流动过程开展数值模拟计算，该教学方法设计的核心思想为：首先将描述动量传递的数理方程作为数值计算的数学模型，以化学反应操作单元的反应器作为数值计算的几何模型，其次以化学反应操作的基本条件作为数值计算的定解条件或者边界条件；最后采用计算流体力学软件在几何模型内，开展边界条件下的数值模拟计算。通过该教学方法的实施，能够促进计算流体力学在实践课程中的应用，提高课程教学过程中的数字化和信息化进程，增加学生对化学工艺和化学反应本质研究的广度和深度，也能够让学生掌握或者具备一些初步的化学反应器设计的基本理论。

3.计算流体力学数值模拟计算在化工原理实践课程中的应用

问题描述：实验主要是探究冷水和热水进入一个三维混合器，在混合器内部进行动量传递和热量传递。实验过程保持冷水入口温度为280K，热水入口温度为320K。从实验描述可知：经过该实验后仅能够直观地测量出冷水和热水混合后的水温，而对于混合器内部的动量传递和热量传递过程不能够采用实验的方法进行测定，因此，针对该实验项目的教学，课堂教学中引入了计算流体力学数值模拟计算，通过计算混合器内部动量传递和热量传递的基本方程，就能够预测反应器内部流动特征和传热情况。

(1)冷热水混合器内部动量传输和热量传输的基本数理方程

混合器内冷水和热水的动量传递过程都满足质量守恒定律，根据质量守恒定律，质量守恒方程又称连续性方程[4]，即：

根据动量守恒定律[5]，可写出x、y和z三个方向的动量守恒方程，即：

标准k-ε模型是描述湍动能的双方程数学模型已经广泛应用于工程运输和热量交换问题的数值模拟之中，其中湍动能k和湍流耗散率ε的输运方程为[6]：

方程中：

根据能量守恒定律[7]，混合器内部冷水和热水交换过程中热量传输方程为：

式中，u，v和w表示流体在x，y和z三个方向的速度，cp为比热容，T为热力学温度，k为流体的传热系数，ST为流体的内热源及由于黏性作用流体机械能转换为热能的部分，有时简称ST为黏性耗散项。

(2)混合器几何模型和边界条件

按照流体力学数值计算在化工原理实践课程中教学方法改革的核心思想：式1～式4给出了混合器内部冷水和热水混合过程的动量传输和热量传输的基本数理方程，本次实验采用的混合器几何模型如图3所示。

图3 混合器的几何模型

入口边界：混合器入口速度可以认为是均匀分布的，分析的流体是稳态且不可压缩的水。冷水入水口的湍动能k和湍动能耗散率ε分别按5%的湍流强度和2mm水力直径计算确定。

(3)混合器内部流动和传热耦合数值模拟结果

实验以图3中的几何模型为基础，结合边界条件和数值计算参数，采用计算流体力学软件求解方程1～5，数值模拟计算结果如图4所示。

图4 冷热水混合器内部动量传输和热量传输数值模拟计算结果

通过数值模拟计算可知：图4(a～c)是冷热水混合过程中在X0Y截面上的数值模拟结果，从图中可以发现当冷热水从两边入口流进混合器内后，会形成不同的温度分布等温带，温度场的分布存在规律性和不均匀性，在靠近冷热水入口处的等温线分布相对集中，具有较大的温度梯度；而远离冷热水入口的等温线分布较为稀疏，温度梯度变化较小；从流体运动轨迹图可以看出，冷热水进入混合器后的运动存在主流方向，而后沿此方向向混合器中心逐渐发散，发散后的冷热水水流混合使流体温度发生变化。图4(d～f)是混合器中冷热水混合过程中三维实体内的温度场分布和速度场分布图。从图中可以发现：冷热水以较大的切向速度流进混合器内，沿着壁面运动，流体的发散程度较小，流经较长距离后才开始产生发散，即冷水向热水入口方向移动的流量增大，热水向冷水入口方向移动的流量也增大，因此冷热水交汇时的冲击速度大，交汇面更广；同时由于冷热水的入口速度大，冷热水在混合器内的运动速度也相应增大，沿着壁面急速回旋产生漩涡，此时流线延混合器中心轴呈现的漩涡旋度很大，漩涡外围几乎是紧挨混合器壁面，从混合上部一直涡旋至出水口。

通过上述化工原理实验课程的教学案例分析，在化工原理实践教学过程中引入计算流体力学仿真的思想是可行的。相比于传统的流体力学实验而言，计算流体力学仿真思想在课堂教学中引入有以下优点：①提高学生在实践教学过程中的参与度。②学生在实验报告撰写时能够通过基本数理方程对仿真结果进行分析，能强化学生对基本原理的理解，巩固课本所学，并通过实践教学得到升华；③在现代化工企业中，自动化控制和操作已经逐步取代了传统人工操作，并占主导地位，因此，将计算流体力学仿真融入于化工原理实验教学中，能够提高化工原理课程教学信息化程度，培养学生的工程应用能力，拓展工程应用思维。④让学生通过计算流体力学仿真，以反应器为基础，构造一套虚拟的化学反应装置，以数理模型为基础，开展各种参数条件下的数值计算，寻求最佳的化学反应工艺参数。

4.小结

（1）以化工原理实践教学课程为基础，在实践教学过程中引入了计算流体数值计算的教学方法，该方法能够提高学生对基本原理的掌握程度，同时在一定程度上也能提高学生工程应用能力和工程应用思维。

（2）化工原理实践教学课程引入的计算流体数值计算教学方法主要内容是：首先以化学反应操作单元内涉及到的传输过程的数理方程为数学模型，以化学反应操作单元的反应器为几何模型，采用计算流体力学方法耦合数学模型和几何模型开展数值计算，预测化学反应操作单元内的传输现象。

（3）通过引入计算流体数值计算，能够将直观的化学反应呈现在学生面前，吸引学生注意力，激发学生的学习兴趣，提高课堂教学效果。