计算流体力学在环境工程 中的应用进展
计算流体力学简介 computational fluid dynamics
计算流体动力学（CFD)是流体力学的一个分支， CFD的基本思想：把原来在时间域及空间域上连 用于求解流体的流动和传热问题。 续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列 CFD 技术是20世纪60年代伴随计算机技术而发展 有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一 定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量 起来的，是集流体力学、数值计算方法以及计算 之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获 机图形学于一体，利用相应的数值计算方法求解 得场变量的近似值。 数学方程和预测动量传递、热量传递、质量传递、 化学反应以及相应的物理现象的一门科学。
MBR物理模型表
膜生物反应器构型方面的研究
Prieske等通过 CFD 商 Brannock 等通过 CFD 业软件中的CFX软件,采 软件中的 模 用 Eulerian–mixture Eulerian模型 型模拟了外置式和 研究模拟得出结论。气升 循环膜生物反应器内循环 浸没式流速分布和 流速的大小取决于膜组件 气体分布情况 , 更直 的形(长度、厚度以及间 观的表征了两种构 距等和气泡大小。他发现 型的水力学条件。 安放膜组件后反应器内气 含率明显降低 如图所示。,下降流中
CFD噪声数值模拟
空腔噪声在航空航天工程等领域日益受 到重视，如飞行器的起落架舱、内埋弹舱等。 脉动压强产生的空腔噪声是影响结构寿命和 乘坐舒适的因素之一，因此研究空腔流动噪 声具有重要的理论价值和实际意义。近年来， 随着数值方法的发展，结合大涡模拟（ＬＥ Ｓ）和雷诺平均ＮＳ方程（ＲＡＮＳ）的脱 体涡数值模拟（ＤＥＳ）方法的出现，使得 在非定常大分离流的数值模拟在成本和可信 度上得到了平衡。
计算流体力学在烟气扩散模拟中的应用 创建几何模型 运用缩小实验尺 寸模拟，空间尺寸为 半径10m，高1Om的圆 柱，烟囱高度sm，烟 囱直径1.0m，在CFX中 建立实体模型，模型 示意如下图。
划分网格
网格为四面体网格，设置网格间距为lm，网格自动生成，53018个四面体单 元和12678个中心点。如下图:
数值模拟方法
１ 控制方程
任意拉格朗日欧拉（ＡＬＥ）形式的雷诺平均控制方程 为
其中
2 物面函数
面函数可以使用较稀的网格１０≤ｙ＋≤１００来合理 的模拟壁面区域的流动，这样既可以保证数值模拟的精确 性，又降低了数值模拟的计算成本，减轻了复杂外形网格 生成的工作量。 本文采用White-Christoph的可压缩物面函数：
模拟结果
最初烟气在不同浓度时(分别为0.5kg/m3、0.1kg/m3 、0.05kg/m 3 、0.01kg/m3 、0.005kg/m3 、0.001kg/m3)的烟气形态变化情 况如下图:

可见，模拟烟气排放采用CFD软件演示了一个简单 例子，由于实测资料的缺乏，本文的模拟结果分 析偏向于定性分析，抛砖引玉，为烟气扩散模拟 方法提供一种探索方向。由于烟气扩散的复杂性， 在实际情况中,地形起伏、障碍物分布、大气温度 层结以及周围环境的风速，温度随高度的变化， 都对其扩散有影响。在今后的实际应用中应与实 际情况相结合，用详尽的实测资料借助于计算机 图形的强大功能，对烟气的实际情况进行仿真模 拟。
数学模型
数值模拟对象 吸收塔入口处烟气速度为 6 m/s，喷枪喷射浆 液流速度为 25 m/s。
脱硫吸收塔内部流场分析
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。
CFD在膜生物反应器研究中的应用
膜生物反应器是生物和膜分离技术结 合的一种生物化学反应器,在水处理及中 水回用领域应用广泛。膜生物反应器的 设计涉及到膜污染、工艺运行稳定、成 本和能耗等问题。随着CFD技术的出现, 近来已经有一些学者运用CFD为膜生物反 应器的优化开展研究工作和提供优化的 设计参数,与现有的MBR物理模型相结合, 能够更好的描述MBR工艺情况。 MBR物理模型列于表中：
存在问题 1.研究运用有待开发和拓展。 2. CFD是一门需要理论与实际相结合的交叉科学。
展望 1. 在膜组件设计优化方面,随着CFD模型的不断完善,模拟将更 加符合实际情况,提供更具指导意义的研究结果和设计依据。 2. CFD更多的与其他技术相结合,以便更好的验证模拟的准确性。
3. 随着CFD技术在国内认知度的提高和逐渐引起重视,会有更多 的学者将其引入到膜技术研究开发中,使其有望成为一个膜 技术研究的重要工具。

结语
通过对计算流体力学的了解，我们发现CFD在 环境工程中已经得到初步的应用。在环境污 染扩散及控制中，总有流动的介质，有些比 较难以预测，相应采取具体措施时比较难办， 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。 当然，现在CFD在环境中处于探索阶段，还没 有广泛的应用，但是由于其强大的模拟功能， 相信会有越来越多的在水环境和大气扩散中 的应用。
目前商业Байду номын сангаасFD软件主要有：Fluent、CFX、Phoeni cs、Star—CD，其中Fluent应用较多。

计算流体力学的应用
船舶 海洋 工业设计
CFD
铸造 制冷 ……
航空航天领域
1 计算流体力学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 下面仅以在环境工程领域的应用 验关联式进行预测，但它们不能呈现出整体的流 为例,介绍计算流体力学应用于工 动效果。 程实际中的速度和深度。 湿法烟气脱硫(WFGD)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。
气泡较少。
国内也有一些学者 做了类似研究,例如20 08年,韩杰等用FLUE NT软件中的多相流E ulerian模型,对曝气场 内部的流态进行了模 拟分析,结果得到包括 气液两相多个截面的 速度场及局部气含率 分布等信息,为反应器 内水力学研究提供了 依据。
流态模拟图
CFD在膜技术领域研究中存在的问题和展望
数值算例及分析
空腔采用ＤＥＲＡ的实验外形，几何尺寸宽为0.1016ｍ，长为0.5 08ｍ，深为0.1016ｍ，来流马赫数为1.19和雷诺数为12.3×106。 计算网格采用六面体网格，网格总单元数为110万，如图所示：

由这样的计算结果可得在进行此类空腔的非定 常流场数值模拟时两种模型均是适用的。