CFD模拟及优化

一.认识CFD

CFD是英文Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称。它是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而发展的。简单地说，CFD相当于"虚拟"地在计算机做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。可以认为CFD是现代模拟仿真技术的一种。

二.为什么用CFD

CFD具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点，故其逐渐受到人们的青睐。CFD方法具有不可比拟的优点，且由于当前计算机技术的发展，CFD方法的计算周期和成本完全可以为工程应用所接受。尽管CFD方法还存在可靠性和对实际问题的可算性等问题，但这些问题已经逐步得到发展和解决。

三.什么是CFD

什么是CFD?简单地说，CFD就是利用计算机求解流体流动的各种守恒控制偏微分方程组的技术，这其中将涉及流体力学(尤其是湍流力学)、计算方法乃至计算机图形处理等技术。

因问题的不同，CFD技术也会有所差别，如可压缩气体的亚音速流动、不可压缩气体的低速流动等。对于烟气冷却领域内的流动问题，多为低速流动，流速在10m/s以下；流体温度或密度变化不大，故可将其看作不可压缩流动，不必考虑可压缩流体高速流动下的激波等复杂现象。从此角度而言，此应用范围内的CFD和数值传热学NHT(Numerical Heat Transfer)等同。另外，烟气冷却领域内的流体流动多为湍流流动，这又给解决实际问题带来很大的困难。由于湍流现象至今没有完全得到解决，目前HVAC内的一些湍流现象主要依靠湍流半经验理论来解决。

总体而言，CFD通常包含如下几个主要环节：建立数学物理模型、数值算法求解、结果可视化。

3.1建立数学物理模型

建立数学物理模型是对所研究的流动问题进行数学描述，对于烟气冷却工程领域的流动问题而言，通常是不可压流体的粘性流体流动的控制微分方程。另外，由于暖通空调领域的流体流动基本为湍流流动，所以要结合湍流模型才能构成对所关心问题的完整描述，便于数值求解。

如下式为粘性流体流动的通用控制微分方程，随着其中的变量f的不同，如f代表速度、焓以及湍流参数等物理量时，上式代表流体流动的动量守恒方程、能量守恒方程以及湍流动能和湍流动能耗散率方程。基于该方程，即可求解工程中关心的流场速度、温度、浓度等物理量分布。

3.2数值算法求解

上述的各微分方程相互耦合，具有很强的非线性特征，目前只能利用数值方法进行求解。这就需要对实际问题的求解区域进行离散。数值方法中常用的离散形式有：有限容积，有限差分，有限元。目前这三种方法在烟气冷却工程领域的CFD技术中均有应用。总体而言，对于烟气冷却领域中的低速，不可压流动和传热问题，采用有限容积法进行离散的情形较多。它具有物理意义清楚，总能满足物理量的守恒规律的特点。离散后的微分方程组就变成了代数方程组，表现为如下形式可见，通过离散之后使得难以求解的微分方程变成了容易求解的代数方程，采用一定的数值计算方法求解式表示的代数方程，即可获得流场的离散分布。从而模拟关心的流动情况。

3.3结果可视化

上述代数方程求解后的结果是离散后的各网格节点上的数值，这样的结果不直观，难以为一般工程人员或其他相关人员理解。因此将求解结果的速度场、温度场或浓度场等表示出来就成了CFD技术应用的必要组成部分。通过计算机图形学等技术，就可以将我们所求解的速度场和温度场等形象、直观地表示出来。如下图2所示即为某会议室侧送风时的速度场和温度场。其中颜色的暖冷表示温度高低，矢量箭头的大小表示速度大小。

可见，通过可视化的后处理，可以将单调繁杂的数值求解结果形象直观地表示出来，甚至便于非专业人士理解。如今，CFD的后处理不仅能显示静态的速度、温度场图片，而且能显示流场的流线或迹线动画，非常形象生动。

四.应用案例

工程案例：江门市某发电厂2×150MW机组烟气SNCR脱硝工程

运用CFD技术寻找合适的SNCR脱硝反应温度窗口位置，以及模拟还原剂与烟气的混合情况，对SNCR脱硝系统的喷枪设计进行优化选型（喷枪形式、喷射角度和喷射速度等），为工程设计提供参考依据。