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1.   Barracuda軟件及CPFD方法簡介

Barracuda工程軟件包是由美國CPFD Software, LLC公司開發(fā)的專門用于模擬工業(yè)級流態(tài)化過程及化學(xué)反應(yīng)的商業(yè)軟件包。其基礎(chǔ)是由Dale Snide博士提出的計算顆粒流體力學(xué)，即CPFD方法。

CPFD方法不同于經(jīng)典計算流體力學(xué)之處，在于即詳盡考慮了顆粒與流體的巨大差別，真實處理顆粒的運動特性，又避免了極耗時間的顆粒接觸檢索，采用成熟的顆粒動力學(xué)理論計算顆粒間作用。同時，CPFD方法創(chuàng)造性地提出了“計算顆粒”概念，所謂“計算顆粒”是在拉格朗日法基本的“流體微團”概念之上，拓展到顆粒相而形成的“顆粒微團”。在一個“計算顆粒”之中包含了多個真實顆粒，這些真實顆粒具有相同的物質(zhì)屬性、物理運動及化學(xué)變化。

CPFD方法的計算模式是在歐拉體系和拉格朗日體系下進行不斷的切換，這種切換不同于離散元法兩個求解器的耦合。CPFD方法中，流體相與顆粒相均在同一個求解器中計算，利用獨創(chuàng)的相間插值算子保證計算的穩(wěn)定性與切換的守恒性。

因此，CPFD方法是一種“混合”數(shù)值方法，集歐拉雙流體模型與拉格朗日離散模型的優(yōu)點于一身，為工業(yè)級流態(tài)化問題的研究提供了全新的技術(shù)手段。

1.1 Barracuda功能與特點簡介

快速高質(zhì)量的網(wǎng)格生成方法

Barracuda軟件獨特的網(wǎng)格劃分技術(shù)采用了全新的笛卡爾網(wǎng)格劃分方法，可以快速適應(yīng)各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，得到高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)型網(wǎng)格，大大簡化前處理工作，為后續(xù)的準確快速計算打下基礎(chǔ)。

如圖1.1左所示，Barracuda軟件劃分網(wǎng)格時，先用正交網(wǎng)格完全嵌套住幾何體，局部細節(jié)結(jié)構(gòu)只需保證有網(wǎng)格線貫穿，隨后自動用幾何體切割網(wǎng)格線獲得表面節(jié)點，生成貼合任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格。圖1.1右為某工業(yè)FCC再生裝置劃分網(wǎng)格后顯示的網(wǎng)格輪廓，裝置內(nèi)三根環(huán)形氣體分布管、六組兩級旋風(fēng)分離器等內(nèi)部結(jié)構(gòu)均完整體現(xiàn)出來。

圖1.1 Barracuda網(wǎng)格對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性

Barracuda軟件網(wǎng)格劃分方法得到的網(wǎng)格完全正交，質(zhì)量很高。因此計算求解時具有非常好的穩(wěn)定性與收斂性，提高了結(jié)果的準確度與精確度。即使對于大規(guī)模的工業(yè)設(shè)備進行數(shù)值模擬分析，百萬以下網(wǎng)格便可滿足計算需要，亦大大提高了求解速度。

完善的顆粒相模型（粒徑分布、組分、曳力模型）

顆粒的不同粒徑分布與顆粒-流體相互作用相關(guān)，顆粒的化學(xué)組分與熱態(tài)反應(yīng)相關(guān)，因此，真實地定義顆粒的屬性顯得非常重要。Barracuda擁有豐富的數(shù)據(jù)庫，軟件已經(jīng)內(nèi)置了許多較為常用的物質(zhì)，用戶可以直接導(dǎo)入使用。同時，用戶也可以根據(jù)自己的需要去定義物質(zhì)的物理化學(xué)屬性，或者直接創(chuàng)建一種新物質(zhì)。工業(yè)中真實的顆粒一定是包含了多種化學(xué)組分以及揮發(fā)分。Barracuda可以定義任意數(shù)量的顆粒種類，每一種顆粒可以定義為包含任意數(shù)量的化學(xué)組分與揮發(fā)分。揮發(fā)分也可以包含多種化學(xué)組分，在定義揮發(fā)分時還可以定義其揮發(fā)釋放速率。在定義顆粒模型的時候，根據(jù)實際情況來指定顆粒的粒徑分布（軟件可模擬從微米級到厘米級的粒徑），包括正態(tài)分布、均勻分布及各種不規(guī)則分布曲線。

對于顆粒的曳力求解，Barracuda內(nèi)置了豐富的曳力模型可供用戶選擇。另外，軟件還支持自定義曳力模型，可根據(jù)實際需要定義符合特定狀況的曳力模型。

龐大的顆粒量處理能力

工業(yè)生產(chǎn)中，設(shè)備內(nèi)的顆粒量非常龐大。在現(xiàn)有的計算能力下，要對每一個真實顆粒的動量、能量、組分變化求解時非常困難的。Barracuda采用了創(chuàng)新性的技術(shù)概念——計算顆粒。一個計算顆粒代表屬性相同的一個或者若干個真實顆粒，軟件中用合理數(shù)量的計算顆粒來解析整個系統(tǒng)的真實顆粒量。然后求解每一個計算顆粒的物理變化量（曳力、化學(xué)反應(yīng)等），并將這些變化量施加到到計算顆粒所代表的真實顆粒。采用這樣的方式，CPFD方法可以處理的真實顆粒量達到1e+16量級，完全滿足工業(yè)級計算的需要。對于通用CFD軟件來說，這是一個根本不可能實現(xiàn)的目標。圖1.2展示了石化行業(yè)的FCC再生裝置，其真實顆粒量為2.0e+15級別，采用的計算顆粒量為2.6e+6級別。

圖1.2 FCC再生裝置

稀相-密相統(tǒng)一求解

真實的反應(yīng)器中，不同位置的顆粒流動狀態(tài)有顯著差異，整個系統(tǒng)中密相流稀相流共存。CPFD技術(shù)借鑒了MP-PIC（multiphase particle-in-cell）方法，對顆粒相進行了雙重處理方法，即顆粒既被視為是連續(xù)介質(zhì)，也被視為是離散體。將顆粒應(yīng)力梯度（在密集顆粒流中難于對每個顆粒進行計算）處理成流體網(wǎng)格上的梯度，然后插值到離散顆粒體上；而顆粒相的其他屬性則在離散顆粒的位置處進行計算。CPFD定義了一種插值算子，這種算子計算速度高，且可以保證全局及局部的守恒。這樣的處理方式使Barracuda根本無需考慮實際流場情況，它只用一種模型能計算從固體顆粒很稀(體積份數(shù)<0.1%)的情況到非常稠密(體積分數(shù)>60%)的情況。而對于通用CFD軟件，需要人為的界定相態(tài)進而選擇相應(yīng)的模型。

實現(xiàn)顆粒層級的化學(xué)反應(yīng)模擬

Barracuda擁有完整的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模擬能力，包括氣固、氣氣、固固之間的化學(xué)反應(yīng)。軟件中內(nèi)置了多種化學(xué)反應(yīng)設(shè)置方法及化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型：若反應(yīng)過程較為簡單，或化學(xué)反應(yīng)方程式及動力學(xué)模型均已知，可以采用顯式的化學(xué)反應(yīng)設(shè)置方法；若反應(yīng)組分很多，反應(yīng)過程復(fù)雜，無法獲得準確的反應(yīng)方程式及動力學(xué)模型，則可采用隱式的化學(xué)反應(yīng)設(shè)置方法，即直接設(shè)置每種組分的組分含量變化率，而無需關(guān)心具體的反應(yīng)方程式。對于化學(xué)反應(yīng)速率的定義，分為體積平均法和離散顆粒法。若反應(yīng)中有顆粒的生成或者消耗，則推薦采用離散顆粒法定義反應(yīng)速率，即以單個顆粒作為控制體積來描述反應(yīng)的快慢。這種定義方法相比于體積平均法更加準確，但會增加相應(yīng)的計算量。值得一提的是，由于化學(xué)反應(yīng)而帶來的顆粒粒徑變化，Barracuda也是可以跟蹤描述的。在進行熱態(tài)模擬時，充分考慮了顆粒、流體、壁面之間的換熱。

另外，Barracuda軟件高效快速的計算能力使得熱態(tài)反應(yīng)模擬不再是限制計算速度的關(guān)鍵因素。相比于傳統(tǒng)CFD方法，Barracuda軟件中組分數(shù)及反應(yīng)數(shù)的增多不會明顯增長計算時間，在包含上百種組分及反應(yīng)的復(fù)雜體系下仍然可以快速穩(wěn)定求解。

設(shè)備磨損預(yù)測

顆粒流化裝置中，設(shè)備表面受顆粒沖擊的磨損非常明顯，嚴重磨損會直接導(dǎo)致設(shè)備運行故障甚至發(fā)生安全事故，因此需要選擇合適的時間對設(shè)備進行檢修與更換。Barracuda軟件的壁面磨損模型依據(jù)顆粒質(zhì)量、沖擊速度、沖擊角及壁面磨損系數(shù)對壁面磨損量進行時間統(tǒng)計，獲得累計時間壁面不同部位處的磨損分布，以此作為設(shè)備的檢修周期與重要部件的更換周期，并可指導(dǎo)設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

旋風(fēng)分離器是顆粒分離操作的關(guān)鍵單元，圖1.3和圖1.4所示為某旋風(fēng)分離器的蝸殼內(nèi)部面與上升管壁面的磨損，可見數(shù)值計算預(yù)測的主要磨損區(qū)域與設(shè)備實際出現(xiàn)磨損吻合度很高，體現(xiàn)出Barracuda軟件對研究設(shè)備磨損問題有良好的適用性。

圖1.3旋風(fēng)分離器蝸殼內(nèi)壁面磨損

圖1.4旋風(fēng)分離器上升管壁面磨損

快速可靠的GPU并行求解能力

由于CPFD方法的獨特優(yōu)勢，Barracuda的求解速度是其他通用CFD軟件的10-100倍。一個典型的算例的網(wǎng)格數(shù)量在30萬以內(nèi)，計算顆粒數(shù)在500萬以內(nèi)，這就使得我們可以在合理的時間內(nèi)獲得有意義的數(shù)據(jù)。Barracuda擁有快速計算能力的同時，其計算結(jié)果的準確性也是有保證的。首先，軟件的計算結(jié)果通過了大量的基礎(chǔ)性實驗驗證；其次還得到了工業(yè)級相關(guān)設(shè)備的驗證。

為了進一步提高軟件的計算速度，CPFD公司開發(fā)出了非常適于離散相顆粒計算的GPU并行程序。CPFD方法對顆粒相的求解是基于拉格朗日方法，需要對每一個計算顆粒進行跟蹤求解；而一塊GPU卡則包含幾千個內(nèi)核，這樣對上千萬顆粒的跟蹤求解就可以施加到這幾千個GPU核上進行求解，大大提高了計算求解速度。經(jīng)測試，GPU求解器計算速度較CPU求解器快3~6倍（不同模型不一樣），如圖1.5所示。

圖1.5 GPU求解器計算速度提升對比

2.   Barracuda的應(yīng)用范圍

總的來講，Barracuda適用于所有的顆粒-流體兩相流系統(tǒng)的研究，下面將分節(jié)介紹Barracuda在不同行業(yè)的典型應(yīng)用情況。

能源電力行業(yè)

目前，我國的電力還是以火電為主。由于燃料適用性廣，污染排放低，CFB鍋爐近年來在我國得到了廣泛的研究和應(yīng)用。Barracuda可以實現(xiàn)對工業(yè)級尺度的循環(huán)流化床CFD模擬。通過模擬，可以幫助用戶預(yù)測如下問題：

 爐內(nèi)流化狀態(tài)

氣固混合均勻性、二次風(fēng)優(yōu)化

溫度分布及其對排放的影響

磨損

煙氣顆粒夾帶

非設(shè)計工況性能

圖2.1為意大利BiomassaItalia公司對Calabria地區(qū)Strongoli電站的40MW CFB鍋爐采用Barracuda進行模擬的結(jié)果。經(jīng)過了多套方案的仿真研究，掌握了不同結(jié)構(gòu)形式對流態(tài)化效果及旋風(fēng)分離器磨損的影響。最后，經(jīng)過權(quán)衡各種因素，確立了該套循環(huán)流化床反應(yīng)器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，改進后的旋風(fēng)分離器單元在保證整體設(shè)備運行效果的同時，延長使用壽命至原結(jié)構(gòu)的三倍，這將大大降低維護設(shè)備成本并節(jié)省因故停車造成的損失。圖2.2為海基科技與國內(nèi)某設(shè)計院合作的研究成果，通過軟件虛擬再現(xiàn)了爐內(nèi)的溫度分布、顆粒組分變化情況。

a)      CFB電站鍋爐結(jié)構(gòu)

b)     爐內(nèi)顆粒運動情況

c)      不同方案磨損對比

圖2.1 CFB磨損仿真結(jié)果（意大利BiomassaItalia公司）

圖2.2 國內(nèi)某研究院生物質(zhì)CFB燃燒器仿真結(jié)果

石油化工行業(yè)

石油化工行業(yè)涉及到的流態(tài)化裝置為提升管反應(yīng)器和FCC再生裝置。這些裝置通常是一周7天24小時運轉(zhuǎn)，產(chǎn)品效率的微小提升也會帶來巨大的經(jīng)濟效益。磨損也是這類設(shè)備面臨的嚴峻問題，通常的設(shè)計檢修周期為5~8年，但大多數(shù)設(shè)備都會在3年左右就發(fā)生可靠性問題。設(shè)備每天會產(chǎn)生50~100萬美元的收益，因此，額外的故障停車將會大大降低煉油廠的利潤。通過對流態(tài)化裝置的模擬，可提早發(fā)現(xiàn)并改進設(shè)備存在的潛在問題。包括：

設(shè)備磨損預(yù)測（可靠性是煉油行業(yè)領(lǐng)先的大問題）

氣固混合、顆粒停留時間

催化劑跑損量預(yù)測

催化劑再生后燃、溫度分布

污染物排放

荷蘭INTERCAT公司采用Barracuda對一工業(yè)級尺度流化催化裂化（FCC）再生裝置內(nèi)的兩相流進行了模擬，整個過程考慮了系統(tǒng)的換熱以及化學(xué)反應(yīng)。模擬幾何模型為真實的三維全尺度裝置，并且包含復(fù)雜的內(nèi)部構(gòu)件，如圖2.3所示。模擬的目標包括：（1）直觀展示失活催化劑在反應(yīng)器內(nèi)部的燃燒效果；（2）再現(xiàn)反應(yīng)器上部自由區(qū)的后燃現(xiàn)象，并分析其原因；（3）預(yù)測SOX等污染物的排放量；（4）檢測反應(yīng)器內(nèi)部配料管布風(fēng)與配料的均勻性。通過模擬，獲得了氣固兩相流流場分布、溫度場分布、排放氣體組分等豐富的數(shù)據(jù)，如圖2.4所示。并且將數(shù)值模擬結(jié)果與真實設(shè)備的運行結(jié)果進行了對比，兩者吻合良好，驗證了該模擬方法的準確可行性。

 

圖2.3 FCC再生裝置幾何模型

圖2.4 FCC再生裝置模擬結(jié)果展示

煤氣化行業(yè)

煤氣化技術(shù)對國家能源結(jié)構(gòu)和節(jié)能環(huán)保有重大意義。煤氣化問題也是一個兩相流問題，設(shè)計人員關(guān)注的問題包括：

煤粉流化狀態(tài)

氣固混合均勻性

煤粉停留時間

碳轉(zhuǎn)換率（合成氣產(chǎn)量）

磨損

溫度分布（冷點、熱點）

  圖2.5-2.6展示了煤氣化器的模擬情況。通過模擬，可以深入了解煤氣化器工作過程中顆粒-流體的相互作用、顆粒分布情況、溫度分布、各組分濃度變化等等。這些信息可以幫助設(shè)計人員理解反應(yīng)器內(nèi)的流動反應(yīng)機理，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，選取更為合適的氣化操作條件。

圖2.5氣化器內(nèi)顆粒信息

圖2.6氣化器內(nèi)氣體信息

水泥行業(yè)

水泥的生產(chǎn)制作過程可以用“兩磨一燒”來簡要描述。“兩磨”包括生料粉磨和水泥粉磨；“一燒”則是指生料的預(yù)熱分解和焙燒過程，預(yù)熱分解主要在多級旋分器中進行，焙燒則在焙燒爐中進行。預(yù)熱分解和焙燒過程是一個涉及傳熱和化學(xué)反應(yīng)的兩相流問題，是Barracuda的典型應(yīng)用問題。水泥生產(chǎn)關(guān)注的問題包括：

 顆粒運動

氣固混合

溫度分布：熱點、冷點

二次燃料加注

非設(shè)計工況運轉(zhuǎn)：啟動、停機

磨損

節(jié)能減排

所有這些問題都可以通過Barracuda軟件來進行預(yù)測分析。德國工程咨詢公司Aixprocess借助Barracuda軟件來分析和改進水泥制造客戶的流程和設(shè)備，大大降低了開發(fā)成本。圖2.7為Aixprocess公司為某水泥企業(yè)焙燒爐做的熱態(tài)模擬。旋風(fēng)分離器作為水泥生產(chǎn)工藝的重要設(shè)備，Aixprocess公司也為各水泥企業(yè)做了大量的咨詢服務(wù)，如圖2.8。

圖2.7水泥焙燒爐熱態(tài)模擬結(jié)果

圖2.8旋風(fēng)分離器優(yōu)化設(shè)計

冶金行業(yè)

冶金行業(yè)涉及到的流態(tài)化工藝繁多，比如煉鐵高爐，流化床法多晶硅制備等。現(xiàn)代絕大多數(shù)多晶硅生產(chǎn)廠商都采用流化床法生產(chǎn)多晶硅，包括直接氯化反應(yīng)器、氫氯化反應(yīng)器、多晶硅沉降反應(yīng)器。采用Barracuda軟件可以對各類反應(yīng)器進行如下問題的分析：

硅晶粒流化狀態(tài)

氣固混合效果

溫度對多晶硅沉積的影響

流化床中毒原因分析

轉(zhuǎn)化效率

通過模擬分析反應(yīng)器的流動反應(yīng)機理，發(fā)現(xiàn)并改進不合理的設(shè)備結(jié)構(gòu)與操作工藝，進而提升產(chǎn)品轉(zhuǎn)化效率，領(lǐng)先在業(yè)界的競爭力。CPFD公司對兩個進口結(jié)構(gòu)形式（篩網(wǎng)、噴嘴）不同的工業(yè)級流化床沉降器進行了模擬分析，分析發(fā)現(xiàn)：篩網(wǎng)進口形式的流化床硅烷轉(zhuǎn)化率高；而噴嘴形式進口的反應(yīng)器則更不容易堵塞。這也解釋了現(xiàn)代設(shè)計都采用混合進氣口結(jié)構(gòu)形式的原因。該計算模型得到了試驗數(shù)據(jù)的驗證（如圖2.9所示），計算結(jié)果準確可靠。

圖2.9模擬結(jié)果預(yù)實驗結(jié)果對比

a)反應(yīng)物與產(chǎn)物濃度分布

b）溫度分布

圖2.10部分模擬結(jié)果展示

環(huán)保工程

隨著國家對環(huán)保要求的越來越高，各個行業(yè)都需要對排出的煙氣進行脫硫脫硝處理。脫硫設(shè)備和工藝與工廠產(chǎn)能、生產(chǎn)操作條件、燃煤含硫量等眾多因素相關(guān)，怎么根據(jù)這些因素來優(yōu)化煙氣處理設(shè)備與工藝是一大挑戰(zhàn)。Barracuda已經(jīng)在干式脫硫系統(tǒng)設(shè)計中得到了成功的應(yīng)用。軟件可以通過調(diào)整模型參數(shù)來模擬再現(xiàn)各種操作條件下的脫硫效果，為設(shè)計者優(yōu)化、改進結(jié)構(gòu)設(shè)計和操作工藝提供指導(dǎo)。CPFD公司對如圖2.11所示的工業(yè)級脫硫系統(tǒng)進行了模擬，真實再現(xiàn)了整個脫硫工藝過程，模擬結(jié)果如圖2.12所示。

圖2.11干式脫硫系統(tǒng)示意圖

圖2.12干式脫硫系統(tǒng)模擬結(jié)果（含硫量、脫硫劑溫度、脫硫劑含水量）

3.   技術(shù)優(yōu)勢與應(yīng)用前景

相比于傳統(tǒng)CFD軟件所采用的模型方法，Barracuda軟件所基于的CPFD方法更加適合于研究顆粒設(shè)備中的流態(tài)化及化學(xué)反應(yīng)過程，主要優(yōu)勢體現(xiàn)在：

1．獨特的網(wǎng)格劃分技術(shù)極大方便了復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的建模。

2．完善的顆粒模型可以準確分析設(shè)備運行細節(jié)。

3．顆粒相基于拉格朗日方法，能夠準確計算顆粒運動，獲得真實流化狀態(tài)。

4．以多種方式設(shè)置化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，滿足機理分析與實驗研究雙重需要。

5．可準確定義氣相與顆粒的多組分特性。

6．特有的磨損模型可以預(yù)測設(shè)備內(nèi)部壁面磨損情況。

7．基于GPU并行求解，計算速度可滿足工程需要。

由之前所述具體解決方案及相關(guān)應(yīng)用案例可知，Barracuda軟件非常適用于顆粒流態(tài)化問題技術(shù)研究，對設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、運行工況分析和設(shè)備檢測維護等諸多方面都可以進行模擬。所得結(jié)果包含全面詳盡的顆粒運動、氣體流場、溫度場、組分濃度場及反應(yīng)特性數(shù)據(jù)，可以依此指導(dǎo)工藝參數(shù)優(yōu)化、設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計及運行時故障排查。

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