Ansys CFD和VS进行化工过程模拟优化可行性分析

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1 化工过程模拟简介
    化工模拟系统(chemical engineering simulation system)又称工艺流程模拟系统，指的是一种计算机辅助工艺设计软件，这种软件接受有关化工流程的输入信息，进行对过程开发、设计或操作有用的系统分析计算。这种软件是20世纪50年代末期随着计算机在化工中的应用而逐步发展起来的。开始只有适用于特定工艺流程（如氨合成、烃类裂解制乙烯等）的专用流程模拟系统，后来逐步发展到适用于各种工艺流程的通用流程模拟系统，到60年代后期化工模拟系统已得到推广应用，成为化工过程的开发和设计以及现有生产操作改进的主要常规手段。
    传统的化工过程模拟软件（如Aspen Plus、Hysys等软件），更关注化工系统工程的整体效果（比如转化率、公用工程消耗等），一般不关注具体反应器的内部流场等相对微观问题。那么第一个致命的问题就出现了：不关注微观设计，就意味着每一个微观反应器的发散都会给整体系统带来发散的可能性，增加整体系统的不稳定性。
    传统的化工过程中的压力容器模拟参数一般来自设计院，这些数据一般具有高度的经验性，这对于反应器的机理性模拟是不利的。而出于保密协议等限制，也给化工过程仿真的发展带来了很多限制。
2 基于Visual Stdio的VS Sim系统
    大型化工软件（如Aspen Plus、Hysys等软件）市场价格比较高，作为曾经的使用者，笔者对化工模拟流程的软件架构有一定的了解。之后随着对Visual Stdio的深入学习研究，笔者基于Visual Stdio开发了一套流程模拟系统，定名为VS Sim系统。
    该系统具备仿DCS界面操作、数据传输、后台模型库、趋势曲线显示等功能，基本满足化工仿真用途，对于个人研究化工系统模拟来说，也堪当重任。
    系统显示界面如下：



    图1 VS Sim系统流程图
3 什么是CFD？
    基于有限元理论的CFD软件是世界顶级的CAE软件：前处理具有强大的有限元分解剖分能力；CFX求解器采用有限体积法，以及全隐式耦合多重网格求解技术，可以模拟单相/多相流动、瞬态/稳态流动、牛顿流/非牛顿流、传热、燃烧、化学反应等现象；后处理能够基于前处理和求解器得到速度、压力、温度等分布，并形成三维效果云图。
    在化工反应器设计中，CFD软件的应用也非常普遍。应用截图如下所示：



    图2 CFD反应器三维效果云图

4 二者结合的可行性分析及应用领域探讨
    可行性分析：Ansys系列软件的二次开发已经不是一个很新鲜的话题了，Ansys软件可以和C#、JS等开发语言进行耦合。那么对于基于C#开发的VS Sim系统，和Ansys系统耦合内嵌也是毫无问题的。
    应用领域探讨：Ansys CFD软件对化工过程中的单体可以进行机理、形象的描述。但是对于庞大的化工系统工程而言，CFD解决的只是局部问题，站在系统工程的角度来看，局部的改善并不一定能改善整个系统的综合效果。因此将CFD修改完得参数传递到过程系统模拟软件中，是一个非常必要的过程——让系统来检验改善后的效果。系统检验后的结果可以反馈给CFD系统，CFD系统根据反馈数据进行更新。从而形成一个迭代优化的过程。
    系统设计框图如下：



    图3 系统设计方案框图
5 未来应用展望
    CFD和过程系统模拟的结合将结合两者的优势，从而提高系统整体性能，优化过程设计，从而提供实质性的帮助。
    目前市场上CFD和流程模拟软件还是分别独立运作的，二者之间的嵌接可能还需要很长的一段路要走。
    随着微软系列语言（C#、wpf开发模式等）的发展，代码开发的交互效果将会更加丰富多彩，与Ansys CFD软件的对接形式也将多样化呈现。

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赞！

晃晃

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晃晃

不会吧，太恐怖了

菜刀吻电线

呵呵，很漂亮啊

tc

谢谢楼主，真是太实用了

晃晃

很经典，很实用，学习了!

奇

不错哦,顶一下......