复杂流体力学在化工装置设计中的应用

江超

(江苏三吉利化工股份有限公司，江苏 连云港 222000)

0 引言

化工装置设计中复杂流体力学的应用可解决多种问题，针对流体输送非牛顿流体会产生剪切稀化现象，导致流体黏度降低，从而影响流体的输送能力。通过研究复杂流体力学，可预测剪切稀化的程度，优化管道的设计和材料的选择，提高流体的输送效率。对于液固两相流体的分离过程，应用复杂流体力学可帮助优化分离设备的结构和工艺参数，提高分离效率和产品质量。通过研究复杂流体的流动行为，可优化装置的设计和操作参数，提高装置的性能和效率，满足工业生产需求。

1 复杂流体力学相关概述

复杂流体力学是研究非牛顿流体以及其在各种复杂条件下的流动行为的学科。非牛顿流体是指在流动过程中，其黏度随着剪切速率或剪切应力的改变而变化的流体。复杂流体力学的研究内容包括复杂流体的流变学性质、流动稳定性、流动模式转变以及流体与固体界面的相互作用等方面。流变学性质是关键的研究内容，主要包括黏度、剪切应力、剪切速率等参数。与牛顿流体不同的是，非牛顿流体的黏度不是常数，而是随着流动条件的改变而变化。这种变化可以是剪切速率的变化，也可以是剪切应力的变化，该非线性的流变行为使得复杂流体的流动行为更加复杂和多样化。流动稳定性是指流体在外界扰动下是否能保持稳定的性质，在复杂流体中因非牛顿性质的存在，流动稳定性常常受到剪切速率、浓度梯度、温度梯度等因素的影响。

研究流动稳定性可帮助行业理解复杂流体在不同条件下的流动行为，从而为各化工设计应用提供理论支持。流动模式转变指的是流体在不同流动条件下，流动模式从一种形式转变为另一种形式的现象。如流体在低剪切速率下可能呈现层流状态，而在高剪切速率下可能呈现湍流状态。研究流动模式转变可帮助行业深入理解复杂流体的流动特性，并为流体流动的控制和优化提供指导。另外，复杂流体力学还关注流体与固体界面的相互作用，流体与固体界面的相互作用对流体的流动行为起到重要的影响。如流体与固体界面上可能存在剪切层、滑移层等现象，各种现象将影响流体的流动速度和流动模式。研究流体与固体界面的相互作用可帮助行业理解复杂流体在微观尺度上的行为，并为界面工程和表面润湿等应用提供理论基础。

2 化工装置设计中应用复杂流体力学的意义及重要性

化工装置设计中应用复杂流体力学具有重要意义，复杂流体力学是研究非牛顿流体、多相流、湍流等复杂流体行为的学科，可提供关于流体流动、混合、传热和质量传递等方面的详细信息，各种信息对于化工装置的设计、优化和操作具有重要的指导作用。

2.1 预测化工装置内部行为

应用复杂流体力学可帮助工程师更好理解和预测流体在化工装置内部行为。在化工装置设计过程中，流体的流动和混合对反应进行及产物质量、产量有着直接影响，通过模拟和分析复杂流体行为，可更准确预测流体的分布、速度和浓度变化，从而优化装置的结构和操作参数。

2.2 优化化工装置传热效率

复杂流体力学还可帮助工程师优化化工装置的传热效率。化工装置设计过程中，热传递是一个重要的环节，直接影响着反应的速率和产物的质量。通过了解流体的热传导特性、对流传热和辐射传热等机制，可设计更高效的传热器、改进传热表面的结构，并优化流体的运动方式，从而提高传热效率。

2.3 指导化工装置液体分离及固液分离

复杂流体力学还对化工装置的流体分离和固液分离等过程具有重要指导作用。化工生产中流体分离是一种常见的操作，如液-液相分离、气-液相分离等。通过对流体相互作用力、界面特性和离心力等因素的研究，可设计出更有效的分离设备和操作策略，提高分离效率和产品纯度。

3 化工装置设计中应用复杂液体力学存在的问题

化工装置设计中应用复杂流体力学常面临多种问题，归纳以下几点进行讨论。

3.1 变量与参数不稳定

复杂流体力学的计算模型通常需要考虑多个物理场的相互作用，例如流体流动、传热、物质传输等，相互作用的存在使得模型的建立和求解变得更加困难，需要考虑更多的变量和参数。

3.2 非线性及非稳态

复杂流体力学中的流动现象常具有非线性和非稳态特性，例如湍流流动，这种非线性和非稳态的特性使得流体的行为更加复杂，难以通过简化的模型进行描述。因此，在应用复杂流体力学进行装置设计时，需使用高精度的数值计算方法来求解相关的方程，以准确地预测流体的行为。

3.3 几何形状及边界条件

复杂流体力学中的流动现象还常受到装置几何形状和边界条件的影响，装置的几何形状和边界条件的不同会导致流动的分布和速度场的变化，从而影响装置的性能和效果。因此，在进行复杂流体力学计算时，需要考虑装置的几何形状和边界条件的准确描述，以获得可靠的计算结果。

3.4 计算的准确性问题

复杂流体力学的计算过程通常需要大量的计算资源和时间，因模型的复杂性和计算的精度要求，计算过程费时费力，对于装置设计师来说是一个挑战，需在计算精度和计算效率之间进行权衡，并选择合适的计算方法和计算平台。

3.5 专业人员的技术素质

复杂流体力学的应用需专业技术人员来进行模拟和分析，这便要求设计团队具备深厚的理论基础和丰富的实践经验。然而，化工设计领域目前普遍缺乏全能型专业技术人才，现有的技术人员一般缺乏对流体力学知识的学习和掌握，造成合格设计人才供给短缺。

4 化工装置设计中复杂液体力学的应用路径

化工装置设计中复杂液体力学的应用是关键研究领域，液体在化工装置中的流动行为对于工艺效率和产品质量具有重要影响。因此，深入研究液体的流动特性和力学行为，以及开发相应的数值模拟方法和实验技术，对优化化工装置的设计和运行至关重要。

4.1 流体力学在液体流动行为中的应用

通过应用流体力学原理来描述液体在化工装置中的流动行为，可帮助工程师们更好地设计和优化装置，提高工艺效率和产品质量[1]。化工生产过程中，液体的流动行为可能受到多种因素的影响，例如装置的几何形状、流体物性参数、边界条件等。通过建立质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，企业可分析流体在装置内的运动规律。质量守恒方程描述液体在装置内质量的变化情况，即液体在装置的进口和出口之间的质量流量是否平衡；动量守恒方程描述了液体在装置内的动量变化情况，即液体在装置内的流速、压力和流动方向的变化；能量守恒方程描述了液体在装置内能量的变化情况，即液体在装置内的温度和压力的变化。利用各种方程可通过数值模拟方法来模拟和预测液体在装置内的流动行为[2]。计算流体力学(CFD)是一种常用的数值模拟方法，通过将装置划分为网格单元，将流体力学方程离散化求解，可得到液体在装置内的流动速度、压力、温度等物理特性的分布。利于企业可通过CFD 模拟来预测液体在装置内的流动行为，从而优化流程、减少能源消耗和提高产品质量。除数值模拟方法，实验方法也是研究液体流动行为的重要手段之一。通过设计合适的实验装置和测量技术，可直接观测和分析液体在装置内的流动行为，验证数值模拟结果的准确性。

4.2 流体力学在液体流变性质中的应用

液体的流变性质对于装置设计和操作的重要性不可忽视，黏度是液体流变性质中一个关键参数，决定液体的流动阻力和黏附性。根据液体的黏度设计师可选择合适的管道尺寸和形状，以减小液体在管道中的阻力，从而提高流动效率。黏度还影响着液体的混合和分离过程，在一些化工反应中，黏度的变化可导致反应物无法充分混合，从而影响反应的效果[3]。因此装置设计中需考虑液体的黏度范围，并采取相应的措施来促进混合反应。 流变应力是另一个重要的流变性质，描述液体在外力作用下的变形能力。装置设计中流变应力的大小会影响液体的输送和处理能力。例如，在流体输送管道中，如果液体的流变应力过大，可能导致管道堵塞或者设备磨损，从而影响生产效率。

因此，设计师需根据液体的流变应力特性选择合适的材料和装置结构，以确保正常的液体输送和处理过程。除黏度以及流变应力，亦存在其他流变性质对装置设计和操作有着重要影响。例如，流变性质还包括剪切应力、弹性模量等，各种参数的选择和控制将直接影响液体在装置内的流动行为和性能[4]。因此，装置设计中工程师需全面了解液体的流变性质，并结合实际需求进行合理设计和操作，可提高装置的效率、降低能耗，并确保装置内的流动行为符合预期。

4.3 流体力学在能源开发中的应用

复杂流动力学的研究有助于解决与环境保护和能源开发相关的问题，例如，针对液体在管道中流动行为的深入理解，可帮助企业设计更高效的输油管道系统，减少能源损耗和环境污染。对于液固两相流动的研究，可帮助企业改进废水处理技术，提高处理效率和减少废水排放的对环境的不良影响。多相流动研究中流体力学的基本原理和模型是不可或缺的工具，通过建立适当的数学模型和方程组，设计师可对多相流动中的各种参数进行分析和预测。例如，通过对流体速度、压力、浓度等参数的计算和模拟，可了解到不同相态物质在流动过程中的分布和变化规律，信息对于化工装置的设计和操作都具有重要意义[5]。

由于多相流动的复杂性和非线性特性，对其进行准确的建模和计算仍然是一个具有挑战性的任务。因此，设计师们不断努力寻找更精确、更有效的模型和方法，以便更好理解和控制多相流动的行为。也可借助先进的实验技术和计算机模拟手段，可更加深入地探索多相流动的机理和特性，为化工工艺发展提供更有力的支持。通过研究多相流动的特性和机理，可优化化工过程的设计和操作，提高效率和产品质量，还有助于解决环境保护和能源开发等方面的问题。

4.4 提高技术人员流体力学的应用能力

化工装置设计中复杂液体力学的应用是一项关键技术，而技术人员却是应用的关键因素，这便需要技术人员具备扎实的理论基础知识，通过熟悉流体力学、传热学、传质学等相关的基本理论，了解其在复杂液体力学中的应用。可通过系统学习和培训，包括参加相关课程、研讨会和工作坊等方式，显著提高技术人员综合能力。

实践经验对于技术人员的提升也是至关重要的，应在合适的时机参与到实际的化工装置设计和运行中，亲身体验复杂液体力学的挑战和解决方法，可通过实习、项目参与或者合作研究等方式来实现。技术人员还应积极关注和学习最新的研究成果和技术发展，复杂液体力学领域的研究和应用一直在不断进步，新的理论、方法和工具不断涌现，技术人员应通过阅读学术文献、参加学术会议和与领域专家交流等方式，不断更新自己的知识和技能[6]。

技术人员还应具备良好的团队合作和沟通能力，复杂液体力学的应用往往需要多个领域的专家共同协作，技术人员需要能够与其他团队成员有效沟通和合作，共同解决问题。只有技术人员不断提高自己的能力，才能为化工装置设计和运行中的复杂液体力学问题提供有效的解决方案。

5 结语

综上所述，应用复杂流体力学在化工装置设计中具备重要意义，可帮助石化企业的化工设备设计师和工程师们更好理解和预测流体的行为，优化装置的结构和操作参数，提高传热效率，改进分离过程，从而实现化工生产的高效、安全和可持续发展。