第八篇CFD数值预测技术在水泥生产中的应用d8p

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第八篇!#数值预测技术在水泥生产中的应用第一章!#技术发展概况第一章!#技术发展概况第一节前言$%世纪&%年代以来，科技发展进入高科技时代。科学技术迅猛发展，涌现了电子信息、生物、空间、海洋、新材料、新能源等六大高科技群，成为现代经济发展最主要的驱动力。如发达国家’#(的增长中，科技进步的贡献率，$%世纪初：)*+$%*；)%+,%年代：)%*；&%年代：,%*+&%*。进入-%年代，知识经济时代已初见端倪。知识经济以知识和信息为基础，经济增长更依赖于知识和信息的创新和应用，更依赖于计算机软件、网络技术及计算机辅助设计等。利用高新技术改造传统产业，促进传统产业的发展是必然的趋势。辨证地看待高新技术与传统企业，高中有低，低中有高，相互深透。高新技术向传统产业的渗透是指当某项高新技术出现后，其相应技术创新群向传统产业扩散，并通过与原有生产技术条件相结合而使传统产业技术水平得到提高产生效益的过程。这个过程是一个动态过程，它需要经过三个环节：高新技术供给、高新技术转移以及高新技术消化吸收，见图&././。图&././高新技术与传统产业的结合过程示意图・/)$/・“第八篇!#数值预测技术在水泥生产中的应用高新技术向传统产业的渗透有两个途径，一是通过高新软技术知识渗透，它通过学习与引进将高新技术与传统产业中的技术及管理结合；二是通过物化技术渗透，即通过购买高新技术装备与材料，从而使企业技术水平提高。高新技术的面非常广，本次不可能涉及太多，仅就!#技术的发展、应用作些简介。第二节!#技术的发展概况!#是!$%&’()(*$+),-,’*../+)%*01的缩写，是流体力学理论研究的一个分支（计算流体动力学2数值预测）。现将对工程中的流体流动、传热、燃烧、化学反应、多相流等的数值预测及工程应用一般简称为!#技术。!#技术的发展总的来说是随着计算机技术及数值计算方法的发展而发展的。3455年，英国科学家67$%应用手摇计算机完成了对流体流过圆柱体的绕流问题的数值计算，但是，应用计算机和数值方法求解流动、传热问题形成研究热主要是始于89年代，从89年代至今，其发展过程可以分为三个阶段。一、初始阶段（348:;34=年）初始阶段的主要研究内容是解决计算流体力学中的一些基本的理论问题，如模型方程（湍流、流变、传热、辐射、气体2颗粒作用、化学反应、燃烧等）、数值方法（差分格式、代数方程求解等）、网格划分、程序编写与实现等，并就数值结果与大量传统的流体力学实验结果及精确解进行比较，以确定数值预测方法的可靠性、精确性及影响规律，此时各类数值预测研究论文如雨后的春笋。国际上通过差不多39年时间的发展，一些基础的模型、差分格式、网格划分、数值方法等得到公认：如一阶迎风格式、混合格式、二阶?@!A格式等、交叉网格，各种格式的相容性、收敛性、稳定性、虚假扩散问题等以及对解的影响规律都有了较深刻的认识。著名的研究成果如B)()+C)D和E&)*.*+F于348发表的描述外部绕流问题的抛物线型偏微分方程的B2E方法，34:年推出的解决内流问题的E@G2BHI算法等。另一方面，为了解决工程上具有复杂几何区域内的流动问题，人们开始研究网格的变换问题，如67$%&1$+，67)%1和G)1(*+提出了采用微分方程来根据流动区域的形状生成适体坐标体系，从而使计算流体力学对不规则的几何流动区域有了较强的适应性，逐渐在!#中形成了专门的研究领域：网格形成技术”。・3:JJ・第一章()*技术发展概况二、开始走向工业应用阶段（!#$%!&’年）随着数值预测、原理、方法的不断完善，在力学界已逐步形成共识，关键的问题是如何得到工业界的认可，如何在工业设计中得到应用，因此，该阶段的主要研究内容是探讨()*在解决实际工程问题中的可行性、可靠性及工业化推广实用。如我国中科院的吴仲华提出的流面理论用于解决气轮机叶轮的设计等，军事上用于核爆炸、航空等领域的研究，天气、海浪预报等，其应用研究几乎渗透到各行各业。同时，()*方法开始向各种以流动为基础的工程问题方向发展，如气固、液固多相流、非牛顿流、化学反应流、煤粉燃烧等。但是，这些研究往往都需要建立在具有非常专业的研究队伍的基础上，软件没有互换性，自己开发，自己使用，新使用的人通常需要花相当大的精力去阅读前人开发的程序，理解程序设计意图，改进和使用。!##年，+,-./.01及其博士生们开发的用于预测二维边界层内的迁移现象的234567程序公开。+,-8/.01等首先意识到公开计算源程序很难保护自己的知识产权，因此，在!&!年，+,-8/.01等组建的(9:5公司将包装后的计算软件（;9446(+=凤凰）正式投放市场，开创了()*商业软件的先河。但是，该套软件使用起来非常困难，用户界面不友好，必须在专门的使用环境下，按照提供的命令来操作，同时只能解决$种与软件中提供的算例相类似的问题，严重制约了用户的二次开发能力，因此，软件的推广并没有达到预期的效果。我国在&年代初期，随着与国外交流的发展，科学院、部分高校开始兴起()*的研究热潮。三、快速发展期（!&$年%）虽然()*在工程设计的应用以及应用效果的研究取得了丰硕的成果，在学术界得到了充分的认可。同时+,-8/.01领导的(9:5公司在发达国家的工业界进行了大量的推广工作，;-?-0@-A也在美国工程师协会的协助下，举行了大范围的培训，皆在推广应用(;*。然而，工业界并没有表现出太多的热情。在!&$年的第四界国际计算流体力学会议上，+,-8/.01作了()*在工程设计中的应用前景的专题报告，在该报告中，他将工程中常见的流动、传热、化学反应等过程分为十大类问题，并指出()*都有能力加以解决，他分析了工业界之所以不感兴趣，是因为软件的通用性能不好，使用太困难。如何在()*的基础研究与工程开发设计研究之间建立一个桥梁？如何将研究结果比较容易地为高级工程设计技术人员所掌握，并最大限度地应用于工程咨询、工程开发与设计研究？这正是本时期应用基础研究所追求的目标。此后，随着计算机图形学、计算机微机技术的・!$CB・第八篇!#数值预测技术在水泥生产中的应用快速进步，!#的前后处理软件得到了迅速发展，如$%&’()%，$%&’(*++,，-!)./!#等等。同时，一些经济实力雄厚的实体也见到了!#应用软件的巨大商机，纷纷介入。如美国的,01)1*、&1232及英国的&)&公司等。我校引进的!#软件是&)&公司的!45系列，!45系列是由英国原子能工程联合会计算流体力学研究所（&)&/!#2）研制开发的，从上世纪67年代初，&)&的一些研究人员就开始从事计算流体力学程序的开发工作，并逐渐形成了一套计算流体力学软件包，但是，由于英国政府的限制，该软件作为高技术，一直限于在&)&内部使用。87年代末，国际形式变动后，9::9年才正式向外界推广。而适用于微机使用的版本:7年代中期才推出，9::8年进入中国市场。・9;5・（第二章!#技术应用范围与作用第二章!#技术应用范围与作用第一节!#的应用范围!#能够分析与研究在任何复杂几何形状的空间（装置）内、外发生的下列工程问题：（$）流体流动；（%）高温传热（导热、对流、辐射换热、流固偶合传热）；（&）气’固、液’固、气’液、液’液等多相流；如均化库、增湿塔、气力输送等）；（(）非牛顿流体流动（流变，如粉体、混凝土、膏状物等）；（)）多孔介质流；（*）化工反应流；（+）煤粉燃烧、气态燃料燃烧、油雾燃烧、多种燃料混合及多氧化流燃烧（如燃烧器、分解炉、烘干炉等）；（,）爆炸、爆燃和着火（如煤粉仓的爆炸与防治）；（-）搅拌反应釜；（$.）环保（气体、水污染的扩散与防治、脱硫、/01等）。!#分析研究结果可以提供工程设计、生产管理、技术改造中所必需的各种参数，如流体阻力（阻力损失），流体与固体之间的传热量（散热损失等），气体、固体颗粒的停留时间，产品质量，燃尽程度，反应率，处理能力（产量）等综合参数以及各种现场可调节量（如风量、风温、组分等）对这些综合参数的影响规律性。同时，还可以提供流动区域内精细・$)%)・第八篇!#数值预测技术在水泥生产中的应用的流场（速度矢量）、温度场、各种与反应进程有关的组分参数场，通过对这些场量的分析，可以发现现有装置或设计中存在的不足，为创新设计、改造设计提供依据。这相当于是一个通用的、多功能的大型热态试验场（数值试验）。第二节!#技术促进传统产业的技术创新传统产业技术进步的一个重要表现为：加速对制造机械、装置的开发进程，具有较大的处理能力、较高的处理精度、较低的处理成本或能简化处理工艺，将是该领域今后的技术发展方向，实践证明，完美的工艺只有通过性能优良的装置单体，并经过优化的组合才能达到理想的效果。一个制造成本更低、效率更高的装置将会为老生产线的技术改造带来新的经济增长点。总之，未来传统工业的市场竞争，同样是新技术的竞争，应用高新技术加速改造传统产业的竞争，拥有知识面更宽、实际工作能力更强、综合素质更高的人才的竞争等。通过技术人员的努力，达到创新、开发与推广应用的目标。创新开发是指在一定的范围、一段时期内还不存在的新设想、新工艺、新设备等。因此，任何创新技术被应用于工程，多少会有一定的风险，尤其关键装置的创新技术，应用风险更大。人们为了减少应用中的风险，对创新的新设备、装置所开展的一系列的力学、流动、传热、传质、化学反应等的机理研究、性能操作参数的研究、实际应用中的可靠性预测研究等等，统属于工程研究的范畴。因此，某种意义上讲，工程研究是创造、开发工程应用技术的摇篮。传统工程开发研究主要是采用试验方法，如冷态预测试验、热态预测试验、中间试验、工业化试验等，人们依靠试验取得的数据和经验公式以及试验中所发现的问题，改进设计，推动工程技术的进步。然而，由于试验方法会受到各种客观条件的限制，如规模大小的限制、影响因素多样化的限制、测试技术的限制，试验研究一般情况下只能给出单个物理量之间的关系，从而降低了试验结果的应用价值。另一方面，试验的主要理论依据是相似原理，在相似原理的指导下，人们利用试验结果对实际的工程应用给出预测，由于试验与实际决不可能完全相似，这种预测很大程度上取决于经验，在实际应用中必然存在较大的风险。当然，为了提高工程放大设计的准确性，在试验结果的基础上，人们也试图借助于分析法，如零维模型理论分析法、一维模型理论分析法，等等，来尽可能地提高工程放大设计的准确性。这种研究，一般是周期长，投资大，放大预测的可靠性差。・’&%$・第二章#$技术应用范围与作用由于工程问题技术要求越来越高（如成本、环保、资源利用等），技术难度越来越大，依靠过去单一的技术方法往往很难解决高水平生产上的问题，要求集中各种技术方法，多学科、多专业的技术人员密切配合、协同作战，采用多学科综合研究的方法来解决高层次的重大课题。随着近代科学技术及测试技术的进步，人们对工程中常见现象的理论基础研究已达到了一个崭新的境界，如工程力学、流体力学、传热学、燃烧学、化学反应机理、气!固、液!固多相流、多组分化学反应流等等的描述数学方程、理论模型和经验模型在大量的实验研究及工程应用中得到证实，这些理论由于是从根本上揭示了自然规律，无论是在模型中还是在实际装置中都是适用的。然而，这些理论到底有多少被工程设计人员所掌握？又有多少能用来指导工程开发与设计研究？这显然是一个的问题。产生如此现象，我以为主要是由于如下几个因素：一是理论研究与工程应用研究的脱节，按照传统学科分类，上述的机理研究是属于理