Barracuda 工程流化模拟专家

1.   Barracuda软件及CPFD方法简介

Barracuda工程软件包是由美国CPFD Software, LLC公司开发的专门用于模拟工业级流态化过程及化学反应的商业软件包。其基础是由Dale Snide博士提出的计算颗粒流体力学,即CPFD方法。

CPFD方法不同于经典计算流体力学之处,在于即详尽考虑了颗粒与流体的巨大差别,真实处理颗粒的运动特性,又避免了极耗时间的颗粒接触检索,采用成熟的颗粒动力学理论计算颗粒间作用。同时,CPFD方法创造性地提出了“计算颗粒”概念,所谓“计算颗粒”是在拉格朗日法基本的“流体微团”概念之上,拓展到颗粒相而形成的“颗粒微团”。在一个“计算颗粒”之中包含了多个真实颗粒,这些真实颗粒具有相同的物质属性、物理运动及化学变化。

CPFD方法的计算模式是在欧拉体系和拉格朗日体系下进行不断的切换,这种切换不同于离散元法两个求解器的耦合。CPFD方法中,流体相与颗粒相均在同一个求解器中计算,利用独创的相间插值算子保证计算的稳定性与切换的守恒性。

因此,CPFD方法是一种“混合”数值方法,集欧拉双流体模型与拉格朗日离散模型的优点于一身,为工业级流态化问题的研究提供了全新的技术手段。

1.1 Barracuda功能与特点简介

快速高质量的网格生成方法

Barracuda软件独特的网格划分技术采用了全新的笛卡尔网格划分方法,可以快速适应各种复杂的结构,得到高质量的结构型网格,大大简化前处理工作,为后续的准确快速计算打下基础。

如图1.1左所示,Barracuda软件划分网格时,先用正交网格完全嵌套住几何体,局部细节结构只需保证有网格线贯穿,随后自动用几何体切割网格线获得表面节点,生成贴合任何复杂结构的网格。图1.1右为某工业FCC再生装置划分网格后显示的网格轮廓,装置内三根环形气体分布管、六组两级旋风分离器等内部结构均完整体现出来。

图1.1 Barracuda网格对复杂结构的适应性


Barracuda软件网格划分方法得到的网格完全正交,质量很高。因此计算求解时具有非常好的稳定性与收敛性,提高了结果的准确度与精确度。即使对于大规模的工业设备进行数值模拟分析,百万以下网格便可满足计算需要,亦大大提高了求解速度。

完善的颗粒相模型(粒径分布、组分、曳力模型)

颗粒的不同粒径分布与颗粒-流体相互作用相关,颗粒的化学组分与热态反应相关,因此,真实地定义颗粒的属性显得非常重要。Barracuda拥有丰富的数据库,软件已经内置了许多较为常用的物质,用户可以直接导入使用。同时,用户也可以根据自己的需要去定义物质的物理化学属性,或者直接创建一种新物质。工业中真实的颗粒一定是包含了多种化学组分以及挥发分。Barracuda可以定义任意数量的颗粒种类,每一种颗粒可以定义为包含任意数量的化学组分与挥发分。挥发分也可以包含多种化学组分,在定义挥发分时还可以定义其挥发释放速率。在定义颗粒模型的时候,根据实际情况来指定颗粒的粒径分布(软件可模拟从微米级到厘米级的粒径),包括正态分布、均匀分布及各种不规则分布曲线。

对于颗粒的曳力求解,Barracuda内置了丰富的曳力模型可供用户选择。另外,软件还支持自定义曳力模型,可根据实际需要定义符合特定状况的曳力模型。

庞大的颗粒量处理能力

工业生产中,设备内的颗粒量非常庞大。在现有的计算能力下,要对每一个真实颗粒的动量、能量、组分变化求解时非常困难的。Barracuda采用了创新性的技术概念——计算颗粒。一个计算颗粒代表属性相同的一个或者若干个真实颗粒,软件中用合理数量的计算颗粒来解析整个系统的真实颗粒量。然后求解每一个计算颗粒的物理变化量(曳力、化学反应等),并将这些变化量施加到到计算颗粒所代表的真实颗粒。采用这样的方式,CPFD方法可以处理的真实颗粒量达到1e+16量级,完全满足工业级计算的需要。对于通用CFD软件来说,这是一个根本不可能实现的目标。图1.2展示了石化行业的FCC再生装置,其真实颗粒量为2.0e+15级别,采用的计算颗粒量为2.6e+6级别。



图1.2 FCC再生装置

稀相-密相统一求解

真实的反应器中,不同位置的颗粒流动状态有显著差异,整个系统中密相流稀相流共存。CPFD技术借鉴了MP-PIC(multiphase particle-in-cell)方法,对颗粒相进行了双重处理方法,即颗粒既被视为是连续介质,也被视为是离散体。将颗粒应力梯度(在密集颗粒流中难于对每个颗粒进行计算)处理成流体网格上的梯度,然后插值到离散颗粒体上;而颗粒相的其他属性则在离散颗粒的位置处进行计算。CPFD定义了一种插值算子,这种算子计算速度高,且可以保证全局及局部的守恒。这样的处理方式使Barracuda根本无需考虑实际流场情况,它只用一种模型能计算从固体颗粒很稀(体积份数<0.1%)的情况到非常稠密(体积分数>60%)的情况。而对于通用CFD软件,需要人为的界定相态进而选择相应的模型。

实现颗粒层级的化学反应模拟

Barracuda拥有完整的化学反应动力学模拟能力,包括气固、气气、固固之间的化学反应。软件中内置了多种化学反应设置方法及化学反应动力学模型:若反应过程较为简单,或化学反应方程式及动力学模型均已知,可以采用显式的化学反应设置方法;若反应组分很多,反应过程复杂,无法获得准确的反应方程式及动力学模型,则可采用隐式的化学反应设置方法,即直接设置每种组分的组分含量变化率,而无需关心具体的反应方程式。对于化学反应速率的定义,分为体积平均法和离散颗粒法。若反应中有颗粒的生成或者消耗,则推荐采用离散颗粒法定义反应速率,即以单个颗粒作为控制体积来描述反应的快慢。这种定义方法相比于体积平均法更加准确,但会增加相应的计算量。值得一提的是,由于化学反应而带来的颗粒粒径变化,Barracuda也是可以跟踪描述的。在进行热态模拟时,充分考虑了颗粒、流体、壁面之间的换热。

另外,Barracuda软件高效快速的计算能力使得热态反应模拟不再是限制计算速度的关键因素。相比于传统CFD方法,Barracuda软件中组分数及反应数的增多不会明显增长计算时间,在包含上百种组分及反应的复杂体系下仍然可以快速稳定求解。

设备磨损预测

颗粒流化装置中,设备表面受颗粒冲击的磨损非常明显,严重磨损会直接导致设备运行故障甚至发生安全事故,因此需要选择合适的时间对设备进行检修与更换。Barracuda软件的壁面磨损模型依据颗粒质量、冲击速度、冲击角及壁面磨损系数对壁面磨损量进行时间统计,获得累计时间壁面不同部位处的磨损分布,以此作为设备的检修周期与重要部件的更换周期,并可指导设备结构的优化设计。

旋风分离器是颗粒分离操作的关键单元,图1.3和图1.4所示为某旋风分离器的蜗壳内部面与上升管壁面的磨损,可见数值计算预测的主要磨损区域与设备实际出现磨损吻合度很高,体现出Barracuda软件对研究设备磨损问题有良好的适用性。

图1.3旋风分离器蜗壳内壁面磨损

图1.4旋风分离器上升管壁面磨损

快速可靠的GPU并行求解能力

由于CPFD方法的独特优势,Barracuda的求解速度是其他通用CFD软件的10-100倍。一个典型的算例的网格数量在30万以内,计算颗粒数在500万以内,这就使得我们可以在合理的时间内获得有意义的数据。Barracuda拥有快速计算能力的同时,其计算结果的准确性也是有保证的。首先,软件的计算结果通过了大量的基础性实验验证;其次还得到了工业级相关设备的验证。

为了进一步提高软件的计算速度,CPFD公司开发出了非常适于离散相颗粒计算的GPU并行程序。CPFD方法对颗粒相的求解是基于拉格朗日方法,需要对每一个计算颗粒进行跟踪求解;而一块GPU卡则包含几千个内核,这样对上千万颗粒的跟踪求解就可以施加到这几千个GPU核上进行求解,大大提高了计算求解速度。经测试,GPU求解器计算速度较CPU求解器快3~6倍(不同模型不一样),如图1.5所示。



图1.5 GPU求解器计算速度提升对比

2.   Barracuda的应用范围

总的来讲,Barracuda适用于所有的颗粒-流体两相流系统的研究,下面将分节介绍Barracuda在不同行业的典型应用情况。

能源电力行业

目前,我国的电力还是以火电为主。由于燃料适用性广,污染排放低,CFB锅炉近年来在我国得到了广泛的研究和应用。Barracuda可以实现对工业级尺度的循环流化床CFD模拟。通过模拟,可以帮助用户预测如下问题:

 炉内流化状态

气固混合均匀性、二次风优化

温度分布及其对排放的影响

磨损

烟气颗粒夹带

非设计工况性能

图2.1为意大利BiomassaItalia公司对Calabria地区Strongoli电站的40MW CFB锅炉采用Barracuda进行模拟的结果。经过了多套方案的仿真研究,掌握了不同结构形式对流态化效果及旋风分离器磨损的影响。最后,经过权衡各种因素,确立了该套循环流化床反应器的优化结构,改进后的旋风分离器单元在保证整体设备运行效果的同时,延长使用寿命至原结构的三倍,这将大大降低维护设备成本并节省因故停车造成的损失。图2.2为海基科技与国内某设计院合作的研究成果,通过软件虚拟再现了炉内的温度分布、颗粒组分变化情况。

a)      CFB电站锅炉结构

b)     炉内颗粒运动情况

c)      不同方案磨损对比


图2.1 CFB磨损仿真结果(意大利BiomassaItalia公司)

图2.2 国内某研究院生物质CFB燃烧器仿真结果

石油化工行业

石油化工行业涉及到的流态化装置为提升管反应器和FCC再生装置。这些装置通常是一周7天24小时运转,产品效率的微小提升也会带来巨大的经济效益。磨损也是这类设备面临的严峻问题,通常的设计检修周期为5~8年,但大多数设备都会在3年左右就发生可靠性问题。设备每天会产生50~100万美元的收益,因此,额外的故障停车将会大大降低炼油厂的利润。通过对流态化装置的模拟,可提早发现并改进设备存在的潜在问题。包括:

设备磨损预测(可靠性是炼油行业第一大问题)

气固混合、颗粒停留时间

催化剂跑损量预测

催化剂再生后燃、温度分布

污染物排放

荷兰INTERCAT公司采用Barracuda对一工业级尺度流化催化裂化(FCC)再生装置内的两相流进行了模拟,整个过程考虑了系统的换热以及化学反应。模拟几何模型为真实的三维全尺度装置,并且包含复杂的内部构件,如图2.3所示。模拟的目标包括:(1)直观展示失活催化剂在反应器内部的燃烧效果;(2)再现反应器上部自由区的后燃现象,并分析其原因;(3)预测SOX等污染物的排放量;(4)检测反应器内部配料管布风与配料的均匀性。通过模拟,获得了气固两相流流场分布、温度场分布、排放气体组分等丰富的数据,如图2.4所示。并且将数值模拟结果与真实设备的运行结果进行了对比,两者吻合良好,验证了该模拟方法的准确可行性。


 

图2.3 FCC再生装置几何模型





图2.4 FCC再生装置模拟结果展示

煤气化行业

煤气化技术对国家能源结构和节能环保有重大意义。煤气化问题也是一个两相流问题,设计人员关注的问题包括:

煤粉流化状态

气固混合均匀性

煤粉停留时间

碳转换率(合成气产量)

磨损

温度分布(冷点、热点)

  图2.5-2.6展示了煤气化器的模拟情况。通过模拟,可以深入了解煤气化器工作过程中颗粒-流体的相互作用、颗粒分布情况、温度分布、各组分浓度变化等等。这些信息可以帮助设计人员理解反应器内的流动反应机理,优化结构设计,选取更为合适的气化操作条件。



图2.5气化器内颗粒信息



图2.6气化器内气体信息

水泥行业

水泥的生产制作过程可以用“两磨一烧”来简要描述。“两磨”包括生料粉磨和水泥粉磨;“一烧”则是指生料的预热分解和焙烧过程,预热分解主要在多级旋分器中进行,焙烧则在焙烧炉中进行。预热分解和焙烧过程是一个涉及传热和化学反应的两相流问题,是Barracuda的典型应用问题。水泥生产关注的问题包括:

 颗粒运动

气固混合

温度分布:热点、冷点

二次燃料加注

非设计工况运转:启动、停机

磨损

节能减排

所有这些问题都可以通过Barracuda软件来进行预测分析。德国工程咨询公司Aixprocess借助Barracuda软件来分析和改进水泥制造客户的流程和设备,大大降低了开发成本。图2.7为Aixprocess公司为某水泥企业焙烧炉做的热态模拟。旋风分离器作为水泥生产工艺的重要设备,Aixprocess公司也为各水泥企业做了大量的咨询服务,如图2.8。

图2.7水泥焙烧炉热态模拟结果


图2.8旋风分离器优化设计

冶金行业

冶金行业涉及到的流态化工艺繁多,比如炼铁高炉,流化床法多晶硅制备等。现代绝大多数多晶硅生产厂商都采用流化床法生产多晶硅,包括直接氯化反应器、氢氯化反应器、多晶硅沉降反应器。采用Barracuda软件可以对各类反应器进行如下问题的分析:

硅晶粒流化状态

气固混合效果

温度对多晶硅沉积的影响

流化床中毒原因分析

转化效率

通过模拟分析反应器的流动反应机理,发现并改进不合理的设备结构与操作工艺,进而提升产品转化效率,领先在业界的竞争力。CPFD公司对两个进口结构形式(筛网、喷嘴)不同的工业级流化床沉降器进行了模拟分析,分析发现:筛网进口形式的流化床硅烷转化率高;而喷嘴形式进口的反应器则更不容易堵塞。这也解释了现代设计都采用混合进气口结构形式的原因。该计算模型得到了试验数据的验证(如图2.9所示),计算结果准确可靠。

图2.9模拟结果预实验结果对比

a)反应物与产物浓度分布

b)温度分布


图2.10部分模拟结果展示

环保工程

随着国家对环保要求的越来越高,各个行业都需要对排出的烟气进行脱硫脱硝处理。脱硫设备和工艺与工厂产能、生产操作条件、燃煤含硫量等众多因素相关,怎么根据这些因素来优化烟气处理设备与工艺是一大挑战。Barracuda已经在干式脱硫系统设计中得到了成功的应用。软件可以通过调整模型参数来模拟再现各种操作条件下的脱硫效果,为设计者优化、改进结构设计和操作工艺提供指导。CPFD公司对如图2.11所示的工业级脱硫系统进行了模拟,真实再现了整个脱硫工艺过程,模拟结果如图2.12所示。

图2.11干式脱硫系统示意图

图2.12干式脱硫系统模拟结果(含硫量、脱硫剂温度、脱硫剂含水量)

3.   技术优势与应用前景

相比于传统CFD软件所采用的模型方法,Barracuda软件所基于的CPFD方法更加适合于研究颗粒设备中的流态化及化学反应过程,主要优势体现在:

1.独特的网格划分技术极大方便了复杂几何结构的建模。

2.完善的颗粒模型可以准确分析设备运行细节。

3.颗粒相基于拉格朗日方法,能够准确计算颗粒运动,获得真实流化状态。

4.以多种方式设置化学反应动力学,满足机理分析与实验研究双重需要。

5.可准确定义气相与颗粒的多组分特性。

6.特有的磨损模型可以预测设备内部壁面磨损情况。

7.基于GPU并行求解,计算速度可满足工程需要。

由之前所述具体解决方案及相关应用案例可知,Barracuda软件非常适用于颗粒流态化问题技术研究,对设备结构设计、运行工况分析和设备检测维护等诸多方面都可以进行模拟。所得结果包含全面详尽的颗粒运动、气体流场、温度场、组分浓度场及反应特性数据,可以依此指导工艺参数优化、设备结构设计及运行时故障排查。