数值计算在环境工程中的应用

1数值计算在环境工程中的应用刘宁（环境科学与工程学院，环境工程二班，2220122907）摘要：计算流体力学CFD是在经典流体动力学、数值计算方法和计算机技术的基础上建立起来的；它是使用数值计算方法，借助计算机求解流体力学问题的科学。原则上，CFD适用于环境工程过程的每个领域，且随着计算机硬件技术的飞速发展，已逐渐作为一种新手段受到重视并得到广泛应用。本文主要描述了计算流体力学在环境工程领域的应用及前景。关键词：数值计算；CFD；环境工程；浓度扩散方程1数值计算的定义及研究内容数值计算（numericalcomputation）[1]是有效使用数字计算机求数学问题近似解的方法与过程，以及由相关理论构成的学科。数值计算主要研究如何利用计算机更好的解决各种数学问题，包括连续系统离散化和离散形方程的求解，并考虑误差、收敛性和稳定性等问题。从数学类型分，数值运算的研究领域包括数值逼近、数值微分和数值积分、数值代数、最优化方法、常微分方程数值解法、积分方程数值解法、偏微分方程数值解法、计算几何、计算概率统计等。随着计算机的广泛应用和发展，许多计算领域的问题，如计算物理、计算力学、计算化学、计算经济学等都可归结为数值计算问题。数值计算主要以下特点：（1）数值计算的结果是离散的，并且一定有误差，这是数值计算方法区别与解析法的主要特征。（2）注重计算的稳定性。控制误差的增长势头，保证计算过程稳定是数值计算方法的核心任务之一。（3）注重快捷的计算速度和高计算精度是数值计算的重要特征。（4）注重构造性证明。（5）数值计算主要是运用MATLAB这个数学软件来解决实际的问题。（6）数值计算主要是运用有限逼近的的思想来进行误差运算。2计算流体力学的基本原理任何流体的运动都遵循以下3个基本定律：（1）质量守恒定律；（2）动量守恒定律（牛顿第二定律）；（3）能量守恒定律。通过这些基本定律以及相关的本构模型和状态方程，流体的运动一般可由偏微分方程（方程组）或积分形式的方程（方程组）来描述，我们称这些方程为流体运动的控制方程（governingequations）[2]。随着流体力学的发展，流体运动的数学物理模型，包括适用于各种不同性质的流体和流体的不同流动状态的控制方程已经建立并日臻完善。然而，流体的运动是自然界最为复杂的运动形态之一，主要表现为控制方程的高度非线性和流动区域几何形状的复杂性等等。这种复杂性决定了我们不可能得到科学和工程中感兴趣的绝大多数流动问题的解析解。高速电子计算机的出现，使得通过数值计算的方法求解流体运动问题成为可能，并逐渐形成了一个独立的新学科：计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics，简称2CFD）。在国内，我们习惯上把CFD称作计算流体力学。计算流体力学是通过数值方法求解流体力学控制方程，得到流场的离散的定量描述，并以此预测流体运动规律的学科。在CFD中，把流体运动控制方程中的积分、微分项近似地表示为离散的代数形式，使得积分或微分形式的控制方程转化为代数方程组；然后，通过电子计算机求解这些代数方程组，从而得到流场在离散的时间/空间点上的数值解（numericalsolution）。CFD有时也称流场的数值模拟，数值计算，或数值仿真等。3数值计算的应用在数值计算中，计算流体力学的应用已经从最初的航空航天领域不断地扩展到船舶[8]、海洋[4]、化学[5]、铸造[6]、制冷[7]、工业设计、城市规划设计[8]、建筑消防设计[9]、汽车[10]等多个领域。近几年来计算流体力学在全机流场计算、旋翼计算、航空发动机内流计算、导弹投放、飞机外挂物、水下流体力学、汽车等[11]方面获得广泛应用。这表明数值计算，尤其是计算流体力学在解决工程实际问题方面具有重要的应用价值。下面仅以在环境工程领域的应用为例,介绍数值计算应用于工程实际中的速度和深度。3.1数值计算在初沉池中的应用目前应用CFD模拟初沉池内水流流动情况以及悬浮物浓度分布的数学模型大体分为模拟初沉池液相的流动（水流模型）或悬浮物的流动（悬浮物模型）[12]。有学者利用CFD技术对初沉池两相流动进行数值模拟分析。利用有限体积离散，SIMPLE算法求解初沉池的液固两相流湍流模型[13]。结合高雷诺数k−ε模型，建立了初沉池三维欧拉两相流湍流模型，在动量方程中考虑了曳力、虚拟质量力、升力的作用，以及悬浮物浓度的影响。在考虑池形结构变化条件下，对初沉池三维流态及悬浮物分布进行了模拟，并分析了悬浮物在沉淀池内浓度分布。并以水流及浓度分布为衡量指标来分析比较沉淀池沉降性能的优劣，以实现初沉池的最优化结构设计。具体的说，就是通过数值模拟的方法，研究初沉池在各种边界条件和操作条件下的水流状态以及其内部悬浮物颗粒的分布情况，然后确定沉淀池的沉淀效率和出水状况，为优化沉淀池的设计提供依据，达到工程经济和社会效益的统一。3.2数值计算在海上溢油问题的应用溢油在海洋中的运动主要表现为在平流作用下的整体位移和在剪流、湍流作用下的扩散。溢油自身的表面扩展过程持续时间很短,而平流运输和湍流扩散持续时间较长。这两种运动机制分别受制于平流和湍流。实际上,它们总是同时进行,也就是通常所说的“对流一扩散问题”。针对海上溢油应急反应专家系统的要求,对海上溢油行为动态的数值预测方法进行研究。在潮流场的数值模拟中,采用垂向σ坐标变换,以保证在深度浅、流速垂向梯度大的海区有足够的分层而获得较多的数据;且有利于简化程序的编制。在横向各分层的计算中,基于己有三维算法计算量偏大的实际情况和溢油应急反应对计算效率和精度的实际需求,提出了一种新的无网格九点差分格式[14]。无网格差分算法是国际上备受推崇的数值计算方法,己有多位学者提出并应用到实际潮流模拟问题中,证实对于潮流模拟有足够的精度和较好的稳定性,并能很好的拟合实际的不规则边界。利用该算法,选取两个理想条件下的算例试算验证后,对渤海MZ分潮进行了二维和三维计算。计算结果较好的反映了实际潮流特征。算例表明,该无网格九点差分数值计算格式简单易行,计算速度快,符合溢油应急反应所要求的精确与快速。适合一般工程技术人员使用。另外,该算法在“油粒子”模式[14]的计算中也显示出了其独特的优点,大大减少了计算量。所建模式则可在进一步完善改进后应用于对实际海上溢3油动态的预报。3.3数值计算在脱硫工艺中的应用脱除煤气中大量酸性气体H2S、HCN等尤其重要。一些简单的流动情况，可通过已有的经验或半经验关联式进行预测，但它们不能呈现出整体的流动效果。湿法烟气脱硫(WFGD)[15]是大型燃煤电厂烟气脱硫的主导技术，而此法所需试验量大、费用高且获得的数据较有限。随着CFD的发展，可以弥补传统方法的缺陷，减少物理模型试验，缩短研发周期，节约研究经费，还可获取大量局部、瞬时数据，从而可指导工程的设计和优化。例：一种具体的脱硫工艺模型基本假设：(1)气相为连续相，液体相为离散相;(2)气体吸收操作过程为稳态，且液体不可压缩(3)仅仅气相中H2S组分被碳酸钾溶液吸收，溶剂水不向气相中传递;(4)熔解热和反应热产生的同时被液相吸收，忽略填料对热传导的影响;(5)忽略气相与液相间热量传递;(6)气体吸收过程是绝热的。数值模拟对象吸收塔入口处烟气速度为6m/s，喷枪喷射浆液流速度为25m/s。综上所述，从脱硫吸收塔整体及喷枪局部速度云图和流线可知，FLUENT具备较好的模拟脱硫吸收塔在脱硫过程中烟气和浆液流动的能力。4展望及结论数值计算应用研究中的关键问题包括:对应用于各种具体情况的数学模型、对复杂外形的描述以及对计算网格的划分做进一步研究;探索更有效的算法来提高计算精度,并降低计算费用;进一步开展计算流体力学在各方面的应用等。计算流体力学主要向两个方面发展:一方面是研究流动非定常稳定特性、分叉解及湍流流动的机理,更为复杂的非定常、多尺度的流动特征,高精度、高分辨率的计算方法和并行算法;另一方面是将计算流体力学直接用于模拟各种实际流动,解决工业生产中提出来的各种问题。美国和日本在这两方面做得最为突出。在我国经济飞速发展的今天,一些计算流体力4学问题的解决,将有利于我国的国民经济建设工作,我们需要迎头追赶。环境工程专业是一个多学科交叉的专业。在环境工程领域，存在大量复杂的环境过程，如城市大气污染物扩散和光化学反应、河流和地下水中的污染物迁移以及室内颗粒物和有机物扩散等。在工程实践中，也发展了许多环境设备用于去除污染物，如旋风除尘器、电除尘器、布袋除尘器、光催化反应器、生物反应器、气浮反应器等。这些环境过程和设备都涉及复杂的流动和传质。简单的研究和设计方法不足以很好地对其进行描述，也就不能产生最优化的设计。而借助数值计算、计算流体力学（CFD）则能进行更好的模拟，我们发现CFD在环境工程中已经得到初步的应用，通过对这些‘流体’用形象化的计算流体力学软件进行模拟，可以了解污染的性质，进而对控制污染及治理污染起到重要的作用。由于其强大的模拟功能，相信数值计算和计算流体力学在水环境和大气扩散中的应用会越来越多。参考文献：[1]沈剑华.数值计算基础[M].同济大学出版社.2004.5.[2](美）约翰D.安德森（JohnD.Anderson)著;吴颂平,刘赵淼译.计算流体力学基础及其应用[M].北京：机械工业出版社.2007.6:1—5.[3]蔡荣泉.船舶计算流体力学的发展与应用[J].船舶,2002(4):8-13.[4]周连第.船舶与海洋工程计算流体力学的研究进展与应用[J].空气动力学报,1998,16(1):122-131.[5]尹晔东,王运东,费维场.计算流体力学(CFD)在化学工程中的应用[J].石化技术2000,7(3):166-169.[6]肖柯则,夏艺.计算流体力学在铸造过程中的应用[J].内蒙古工业大学学报,1995,4(3):30-38.[7]翟晓华,谢晶,徐世琼.计算流体力学在制冷工程中的应用[J].制冷,2003,22(1):17-22.[8]傅晓英,刘俊,许剑峰.计算流体力学在城市规划设计中的应用研究[J].四川大学学报(工程科学版),2002,34(6):36-39.[9]金杉,庄达民,张向阳.计算流体力学在现代建筑消防设计中的应用[J].消防科学与技术,2003,22(3):194-197.[10]常思勤,扈圣刚.计算流体力学进展及其在汽车设计中的应用[J].武汉汽车工业大学学报,1997,19(4):12-15.[11]国家自然科学基金委员会数理科学部.第七届国际计算流体力学尝议简介[J].力学进展,1998,28(3):430-431.[12]陶文铨,数值传热学（第2版）[M]．西安：西安交通大学出版社，2001.[13]曹月波.计算流体力学（CFD）在初沉池中的应用[D]．天津大学建筑工程学院，2007.6:3-7.[14]徐洪磊.海上溢油动态数值模拟的研究[D]．大连海事大学，2000.3:10-12,58-69.[15]祁江涛,李迎华,吴浩伦.计算流体力学在烟气脱硫中的应用[J].计算机辅助工程.2011.20（3）