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Barracuda 工程流化模擬專家

1.   Barracuda軟件及CPFD方法簡介

Barracuda工程軟件包是由美國CPFD Software, LLC公司開發的專門用于模擬工業級流態化過程及化學反應的商業軟件包。其基礎是由Dale Snide博士提出的計算顆粒流體力學,即CPFD方法。

CPFD方法不同于經典計算流體力學之處,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理論計算顆粒間作用。同時,CPFD方法創造性地提出了“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屬性、物理運動及化學變化。

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,利用獨創的相間插值算子保證計算的穩定性與切換的守恒性。

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

1.1 Barracuda功能與特點簡介

快速高質量的網格生成方法

Barracuda軟件獨特的網格劃分技術采用了全新的笛卡爾網格劃分方法,可以快速適應各種復雜的結構,得到高質量的結構型網格,大大簡化前處理工作,為后續的準確快速計算打下基礎。

如圖1.1左所示,Barracuda軟件劃分網格時,先用正交網格完全嵌套住幾何體,局部細節結構只需保證有網格線貫穿,隨后自動用幾何體切割網格線獲得表面節點,生成貼合任何復雜結構的網格。圖1.1右為某工業FCC再生裝置劃分網格后顯示的網格輪廓,裝置內三根環形氣體分布管、六組兩級旋風分離器等內部結構均完整體現出來。

圖1.1 Barracuda網格對復雜結構的適應性


Barracuda軟件網格劃分方法得到的網格完全正交,質量很高。因此計算求解時具有非常好的穩定性與收斂性,提高了結果的準確度與精確度。即使對于大規模的工業設備進行數值模擬分析,百萬以下網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,顆粒的化學組分與熱態反應相關,因此,真實地定義顆粒的屬性顯得非常重要。Barracuda擁有豐富的數據庫,軟件已經內置了許多較為常用的物質,用戶可以直接導入使用。同時,用戶也可以根據自己的需要去定義物質的物理化學屬性,或者直接創建一種新物質。工業中真實的顆粒一定是包含了多種化學組分以及揮發分。Barracuda可以定義任意數量的顆粒種類,每一種顆粒可以定義為包含任意數量的化學組分與揮發分。揮發分也可以包含多種化學組分,在定義揮發分時還可以定義其揮發釋放速率。在定義顆粒模型的時候,根據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),包括正態分布、均勻分布及各種不規則分布曲線。

對于顆粒的曳力求解,Barracuda內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

工業生產中,設備內的顆粒量非常龐大。在現有的計算能力下,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采用了創新性的技術概念——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,軟件中用合理數量的計算顆粒來解析整個系統的真實顆粒量。然后求解每一個計算顆粒的物理變化量(曳力、化學反應等),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的目標。圖1.2展示了石化行業的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-密相統一求解

真實的反應器中,不同位置的顆粒流動狀態有顯著差異,整個系統中密相流稀相流共存。CPFD技術借鑒了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介質,也被視為是離散體。將顆粒應力梯度(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<0.1%)的情況到非常稠密(體積分數>60%)的情況。而對于通用CFD軟件,需要人為的界定相態進而選擇相應的模型。

實現顆粒層級的化學反應模擬

Barracuda擁有完整的化學反應動力學模擬能力,包括氣固、氣氣、固固之間的化學反應。軟件中內置了多種化學反應設置方法及化學反應動力學模型:若反應過程較為簡單,或化學反應方程式及動力學模型均已知,可以采用顯式的化學反應設置方法;若反應組分很多,反應過程復雜,無法獲得準確的反應方程式及動力學模型,則可采用隱式的化學反應設置方法,即直接設置每種組分的組分含量變化率,而無需關心具體的反應方程式。對于化學反應速率的定義,分為體積平均法和離散顆粒法。若反應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速率,即以單個顆粒作為控制體積來描述反應的快慢。這種定義方法相比于體積平均法更加準確,但會增加相應的計算量。值得一提的是,由于化學反應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反應模擬不再是限制計算速度的關鍵因素。相比于傳統CFD方法,Barracuda軟件中組分數及反應數的增多不會明顯增長計算時間,在包含上百種組分及反應的復雜體系下仍然可以快速穩定求解。

設備磨損預測

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

旋風分離器是顆粒分離操作的關鍵單元,圖1.3和圖1.4所示為某旋風分離器的蝸殼內部面與上升管壁面的磨損,可見數值計算預測的主要磨損區域與設備實際出現磨損吻合度很高,體現出Barracuda軟件對研究設備磨損問題有良好的適用性。

圖1.3旋風分離器蝸殼內壁面磨損

圖1.4旋風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格數量在30萬以內,計算顆粒數在500萬以內,這就使得我們可以在合理的時間內獲得有意義的數據。Barracuda擁有快速計算能力的同時,其計算結果的準確性也是有保證的。首先,軟件的計算結果通過了大量的基礎性實驗驗證;其次還得到了工業級相關設備的驗證。

為了進一步提高軟件的計算速度,CPFD公司開發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的應用范圍

總的來講,Barracuda適用于所有的顆粒-流體兩相流系統的研究,下面將分節介紹Barracuda在不同行業的典型應用情況。

能源電力行業

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用。Barracuda可以實現對工業級尺度的循環流化床CFD模擬。通過模擬,可以幫助用戶預測如下問題:

 爐內流化狀態

氣固混合均勻性、二次風優化

溫度分布及其對排放的影響

磨損

煙氣顆粒夾帶

非設計工況性能

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

a)      CFB電站鍋爐結構

b)     爐內顆粒運動情況

c)      不同方案磨損對比


圖2.1 CFB磨損仿真結果(意大利BiomassaItalia公司)

圖2.2 國內某研究院生物質CFB燃燒器仿真結果

石油化工行業

石油化工行業涉及到的流態化裝置為提升管反應器和FCC再生裝置。這些裝置通常是一周7天24小時運轉,產品效率的微小提升也會帶來巨大的經濟效益。磨損也是這類設備面臨的嚴峻問題,通常的設計檢修周期為5~8年,但大多數設備都會在3年左右就發生可靠性問題。設備每天會產生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。通過對流態化裝置的模擬,可提早發現并改進設備存在的潛在問題。包括:

設備磨損預測(可靠性是煉油行業領先的大問題)

氣固混合、顆粒停留時間

催化劑跑損量預測

催化劑再生后燃、溫度分布

污染物排放

荷蘭INTERCAT公司采用Barracuda對一工業級尺度流化催化裂化(FCC)再生裝置內的兩相流進行了模擬,整個過程考慮了系統的換熱以及化學反應。模擬幾何模型為真實的三維全尺度裝置,并且包含復雜的內部構件,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器內部的燃燒效果;(2)再現反應器上部自由區的后燃現象,并分析其原因;(3)預測SOX等污染物的排放量;(4)檢測反應器內部配料管布風與配料的均勻性。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據,如圖2.4所示。并且將數值模擬結果與真實設備的運行結果進行了對比,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再生裝置模擬結果展示

煤氣化行業

煤氣化技術對國家能源結構和節能環保有重大意義。煤氣化問題也是一個兩相流問題,設計人員關注的問題包括:

煤粉流化狀態

氣固混合均勻性

煤粉停留時間

碳轉換率(合成氣產量)

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計人員理解反應器內的流動反應機理,優化結構設計,選取更為合適的氣化操作條件。



圖2.5氣化器內顆粒信息



圖2.6氣化器內氣體信息

水泥行業

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

 顆粒運動

氣固混合

溫度分布:熱點、冷點

二次燃料加注

非設計工況運轉:啟動、停機

磨損

節能減排

所有這些問題都可以通過Barracuda軟件來進行預測分析。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備,大大降低了開發成本。圖2.7為Aixprocess公司為某水泥企業焙燒爐做的熱態模擬。旋風分離器作為水泥生產工藝的重要設備,Aixprocess公司也為各水泥企業做了大量的咨詢服務,如圖2.8。

圖2.7水泥焙燒爐熱態模擬結果


圖2.8旋風分離器優化設計

冶金行業

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

硅晶粒流化狀態

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

轉化效率

通過模擬分析反應器的流動反應機理,發現并改進不合理的設備結構與操作工藝,進而提升產品轉化效率,領先在業界的競爭力。CPFD公司對兩個進口結構形式(篩網、噴嘴)不同的工業級流化床沉降器進行了模擬分析,分析發現:篩網進口形式的流化床硅烷轉化率高;而噴嘴形式進口的反應器則更不容易堵塞。這也解釋了現代設計都采用混合進氣口結構形式的原因。該計算模型得到了試驗數據的驗證(如圖2.9所示),計算結果準確可靠。

圖2.9模擬結果預實驗結果對比

a)反應物與產物濃度分布

b)溫度分布


圖2.10部分模擬結果展示

環保工程

隨著國家對環保要求的越來越高,各個行業都需要對排出的煙氣進行脫硫脫硝處理。脫硫設備和工藝與工廠產能、生產操作條件、燃煤含硫量等眾多因素相關,怎么根據這些因素來優化煙氣處理設備與工藝是一大挑戰。Barracuda已經在干式脫硫系統設計中得到了成功的應用。軟件可以通過調整模型參數來模擬再現各種操作條件下的脫硫效果,為設計者優化、改進結構設計和操作工藝提供指導。CPFD公司對如圖2.11所示的工業級脫硫系統進行了模擬,真實再現了整個脫硫工藝過程,模擬結果如圖2.12所示。

圖2.11干式脫硫系統示意圖

圖2.12干式脫硫系統模擬結果(含硫量、脫硫劑溫度、脫硫劑含水量)

3.   技術優勢與應用前景

相比于傳統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備中的流態化及化學反應過程,主要優勢體現在:

1.獨特的網格劃分技術極大方便了復雜幾何結構的建模。

2.完善的顆粒模型可以準確分析設備運行細節。

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。

4.以多種方式設置化學反應動力學,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測設備內部壁面磨損情況。

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應用案例可知,Barracuda軟件非常適用于顆粒流態化問題技術研究,對設備結構設計、運行工況分析和設備檢測維護等諸多方面都可以進行模擬。所得結果包含全面詳盡的顆粒運動、氣體流場、溫度場、組分濃度場及反應特性數據,可以依此指導工藝參數優化、設備結構設計及運行時故障排查。



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