1. Barracuda軟件及CPFD方法簡介

Barracuda軟件由美國CPFD 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(jì)算顆粒流體力學(xué)，即CPFD方法。

CPFD方法不同于經(jīng)典計(jì)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(shí)處理顆粒的運(yùn)動(dòng)特性，又避免了極耗時(shí)間的顆粒接觸檢索，采用成熟的顆粒動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算顆粒間作用。同時(shí)，CPFD方法創(chuàng)造性地提出了“計(jì)算顆?！备拍睢Ｋ^“計(jì)算顆?！笔窃诶窭嗜辗ɑ镜摹傲黧w微團(tuán)”概念之上，拓展到顆粒相而形成的“顆粒微團(tuán)”。在一個(gè)“計(jì)算顆?！敝邪硕鄠€(gè)真實(shí)顆粒，這些真實(shí)顆粒具有相同的物質(zhì)屬性、物理運(yùn)動(dòng)及化學(xué)變化。

CPFD方法的計(jì)算模式，是在歐拉體系和拉格朗日體系下進(jìn)行不斷的切換，這種切換不同于離散元法兩個(gè)求解器的耦合。CPFD方法中，流體相與顆粒相均在同一個(gè)求解器中計(jì)算，利用獨(dú)創(chuàng)的相間插值算子保證計(jì)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元模型的優(yōu)點(diǎn)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，在煤化工、石油化工、冶金和電力等行業(yè)的大規(guī)模工程流態(tài)化問題中得到廣泛應(yīng)用。

圖 1?1 CPFD計(jì)算顆粒示意圖

       2. Barracuda軟件功能特點(diǎn)

       2.1. 快速高質(zhì)量的網(wǎng)格生成方法

Barracuda軟件網(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。

Barracuda軟件劃分網(wǎng)格時(shí)，先用正交網(wǎng)格完全嵌套住幾何體，局部細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)只需保證有網(wǎng)格線貫穿，隨后自動(dòng)用幾何體切割網(wǎng)格線獲得表面節(jié)點(diǎn)，生成貼合任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格。如下圖所示為某復(fù)雜反應(yīng)器的網(wǎng)格模型，反應(yīng)器中央有70多根導(dǎo)熱油管和多個(gè)噴嘴，幾何尺寸范圍差異較大，Barracuda網(wǎng)格技術(shù)仍可精確表達(dá)幾何結(jié)構(gòu)。

圖 2?1 Barracuda網(wǎng)格對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性

圖 2?2 Barracuda對復(fù)雜工業(yè)設(shè)備網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)示意圖

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(jì)算求解時(shí)具有非常好的穩(wěn)定性與收斂性，提高了結(jié)果的準(zhǔn)確度與精確度。即使對于大規(guī)模的工業(yè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)值模擬分析，百萬以下網(wǎng)格便可滿足計(jì)算需要，亦大大提高了求解速度。

         2.2. 多物理場耦合求解能力

Barracuda軟件具備流體、顆粒、流體-顆粒耦合求解以及化學(xué)反應(yīng)求解能力，可實(shí)現(xiàn)流場、化學(xué)反應(yīng)、傳熱和離散顆粒的兩兩耦合仿真計(jì)算，具體可包括流體-固體顆粒耦合、流體-化學(xué)反應(yīng)、流體-傳熱、離散顆粒-化學(xué)反應(yīng)、離散顆粒-傳熱等過程。

圖 2?3 RCCU再生器流化、燃燒過程云圖

         氣泡顆粒求解能力

軟件具備連續(xù)性不可壓縮流體求解模型（連續(xù)性液體），可實(shí)現(xiàn)連續(xù)性液相流體與離散性氣泡之間的耦合求解，包括液體與氣泡之間的質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換，得到氣泡在液體中的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度分布以及氣泡與液體之間的相互作用力（曳力、升力等作用力）。

         液滴蒸發(fā)求解能力

軟件具備液滴蒸發(fā)模型，可在顆粒層級上定義顆粒含水量的大小，用于準(zhǔn)確模擬液滴在熱環(huán)境中的蒸發(fā)過程，包括液滴的蒸發(fā)速率、液滴顆粒溫度分布以及液滴由于蒸發(fā)造成的體積縮小等。

       2.3. 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(shí)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)，用戶可以靈活調(diào)用、編輯修改。同時(shí)，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)，并支持新建算例從已有算例中導(dǎo)入物料參數(shù)。工業(yè)中真實(shí)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?？梢远x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(shí)還可以定義其揮發(fā)釋放速率。在定義顆粒模型的時(shí)候，根據(jù)實(shí)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。

圖 2?4 粒徑自定義分布

圖 2?5 Barracuda顆粒層級的多相多組分反應(yīng)示意圖

Barracuda軟件內(nèi)置有多種曳力模型供用戶按需選擇，其中包括常用的模型有：WenYu、Ergun、WenYu-Ergun、Stockes、EMMS等曳力模型。此外，軟件還支持自定義曳力模型，可根據(jù)實(shí)際需要定義符合特定狀況的曳力模型。

軟件具備顆粒碰撞求解模型，如Harris-Crighton Model，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模稀疏及密集顆粒的接觸碰撞過程求解，并可通過設(shè)置顆粒-顆粒的碰撞恢復(fù)系數(shù)、顆粒-墻壁的碰撞恢復(fù)系數(shù)等參數(shù)調(diào)整顆粒碰撞所造成的動(dòng)量損失，適用于不同的碰撞條件。

       2.4. 龐大的顆粒量處理能力

工業(yè)級流態(tài)化設(shè)備裝置一般尺寸較大，設(shè)備內(nèi)的顆粒量也非常龐大。在現(xiàn)有的計(jì)算能力下，要對每一個(gè)真實(shí)顆粒的動(dòng)量、能量、組分變化求解時(shí)非常困難的。Barracuda采用了粒子云模型的技術(shù)概念——計(jì)算顆粒。一個(gè)計(jì)算顆粒代表屬性相同的一個(gè)或者若干個(gè)真實(shí)顆粒，軟件中用合理數(shù)量的計(jì)算顆粒來解析整個(gè)系統(tǒng)的真實(shí)顆粒量。然后求解每一個(gè)計(jì)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計(jì)算顆粒所代表的真實(shí)顆粒。采用這樣的方式，CPFD方法可以處理的計(jì)算顆粒數(shù)量達(dá)到數(shù)百萬級別，真實(shí)顆粒量達(dá)到1e+16量級，完全滿足工業(yè)級計(jì)算的需要。同時(shí)，還可以定義顆粒的成分以及粒度的分布，從而與實(shí)際貼合。

圖 2?6 真實(shí)顆粒1e+16量級

         2.5. 稀相-密相統(tǒng)一求解

真實(shí)的反應(yīng)器中，不同位置的顆粒流動(dòng)狀態(tài)有顯著差異，整個(gè)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(jìn)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(gè)顆粒進(jìn)行計(jì)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(jìn)行計(jì)算。CPFD定義了一種插值算子，這種算子計(jì)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(shí)際流場情況，它只用一種模型能計(jì)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?jǐn)?shù)>60%) 的情況。而對于通用CFD軟件，需要人為的界定相態(tài)進(jìn)而選擇相應(yīng)的模型。
         2.6. 顆粒層級的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬能力

Barracuda擁有完整的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模擬能力，包括氣體-氣體、固體-氣體、固體-固體化學(xué)反應(yīng)（此處氣體為可壓縮流體），并支持液體-氣體、液體-液體、液體-固體化學(xué)反應(yīng)（此處液體與氣體均為不可壓縮流體）。

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(dòng)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(dòng)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(zhǔn)確的反應(yīng)方程式及動(dòng)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(gè)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(zhǔn)確，但會(huì)增加相應(yīng)的計(jì)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(jìn)行熱態(tài)模擬時(shí)，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(jì)算能力使得熱態(tài)反應(yīng)模擬不再是限制計(jì)算速度的關(guān)鍵因素。相比于傳統(tǒng)CFD方法，Barracuda軟件中組分?jǐn)?shù)及反應(yīng)數(shù)的增多不會(huì)明顯增長計(jì)算時(shí)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。

         2.7. 常用工質(zhì)熱力學(xué)物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫

Barracuda軟件內(nèi)嵌有豐富的材料屬性數(shù)據(jù)庫，并且軟件內(nèi)置了多種常用物質(zhì)，包括了多種流體工質(zhì)與顆粒工質(zhì)，工質(zhì)涵蓋了氣體（空氣、一氧化碳、二氧化碳等）、液體（水以及多種液體化合物）、固體（鋁、碳、鐵等）層面，用戶可依據(jù)需求對所需物質(zhì)內(nèi)容導(dǎo)入使用。除此之外，用戶可根據(jù)自己的需要去定義物質(zhì)的物理與化學(xué)屬性，或者直接創(chuàng)建一種新物質(zhì)。此外用戶可對所需的工質(zhì)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行保存、修改與調(diào)用。工業(yè)中真實(shí)的顆粒一定是包含有多種化學(xué)組分以及揮發(fā)組分。Barracuda可以定義任意數(shù)量的顆粒種類，每一種顆?？梢远x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(shí)還可以定義其揮發(fā)釋放速率。

圖 2?7 常用工質(zhì)熱力學(xué)物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫

        2.8. 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(yán)重磨損會(huì)直接導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行故障甚至發(fā)生安全事故，因此需要選擇合適的時(shí)間對設(shè)備進(jìn)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(jìn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)，獲得累計(jì)時(shí)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(jì)。

旋風(fēng)分離器是石化工藝中的常見設(shè)備，下圖所示為某旋風(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(jì)算預(yù)測的主要磨損區(qū)域與設(shè)備實(shí)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 2?8 旋風(fēng)分離器蝸殼內(nèi)壁面磨損

圖 2?9 旋風(fēng)分離器上升管壁面磨損

         2.9. 快速可靠的GPU并行求解能力

由于CPFD方法的獨(dú)特優(yōu)勢，Barracuda的求解速度是其他通用CFD軟件的10-100倍。一個(gè)典型的算例的網(wǎng)格數(shù)量在30萬以內(nèi)，計(jì)算顆粒數(shù)在500萬以內(nèi)，這就使得我們可以在合理的時(shí)間內(nèi)獲得有意義的數(shù)據(jù)。

為了進(jìn)一步提升軟件的計(jì)算速度，CPFD公司研發(fā)了一種特別適用于離散相顆粒計(jì)算的GPU并行程序。該程序基于拉格朗日方法對顆粒相進(jìn)行求解，需要對每個(gè)計(jì)算顆粒進(jìn)行追蹤。而一塊GPU卡包含了數(shù)千個(gè)內(nèi)核，因此對于上千萬顆粒的追蹤求解可以分配到這些GPU核上進(jìn)行，從而顯著提高了計(jì)算求解速度。測試結(jié)果顯示，與CPU求解器相比，性能優(yōu)異的GPU求解器的計(jì)算速度可以提高數(shù)十倍，但不同模型的速度會(huì)有所差異，具體數(shù)據(jù)如圖所示。這意味著使用GPU并行程序可以大大縮短計(jì)算時(shí)間，從而更快地獲得計(jì)算結(jié)果。這一優(yōu)勢對于處理大規(guī)模復(fù)雜顆粒流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)問題具有重要意義，使得Barracuda軟件在工業(yè)應(yīng)用中具有更廣泛的應(yīng)用前景。

圖 2?10 GPU求解器計(jì)算速度提升對比

         2.10. 強(qiáng)大的后處理功能

Barracuda軟件內(nèi)置了專業(yè)流體、顆粒后處理軟件tecplot，能夠同時(shí)提取流體和顆粒這兩大類數(shù)據(jù)。包括：

         1）獲取流體的關(guān)鍵信息如流體的壓力場、濃度場、速度場、溫度場、流體化學(xué)反應(yīng)速率等；

         2）顆粒的關(guān)鍵信息如顆粒的體積分?jǐn)?shù)、速度分布、溫度分布、組分分布、粒徑分布、停留時(shí)間分布、顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、離散顆?；瘜W(xué)反應(yīng)速率等。

         3）Barracuda軟件支持創(chuàng)建監(jiān)測點(diǎn)、監(jiān)測面分別對某一位置、截面進(jìn)行流體、顆粒數(shù)據(jù)監(jiān)測，獲取如溫度、速度變化，以及各種流通通道的流量變化等。

圖 2?11 專業(yè)后處理工具Tecplot

              

圖 2?12 FCC再生器后處理云圖（時(shí)均溫度、時(shí)均流體流速）

圖 2?13 FCC提升管反應(yīng)器后處理云圖（顆粒體積分?jǐn)?shù)、顆粒溫度、氣體組分濃度、顆粒組分分布）

       3. Barracuda軟件應(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。
        3.1. 能源電力行業(yè)

目前，我國電力還是以火電為主的國家。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(shí)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：

       l 爐內(nèi)流化狀態(tài)

       l 氣固混合均勻性、二次風(fēng)優(yōu)化

       l 溫度分布及其對排放的影響

       l 磨損

       l 煙氣顆粒夾帶

       l 非設(shè)計(jì)工況性能

圖3-1為意大利BiomassaItalia公司對Calabria地區(qū)Strongoli電站的40MW CFB鍋爐采用Barracuda進(jìn)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(jìn)后的旋風(fēng)分離器單元在保證整體設(shè)備運(yùn)行效果的同時(shí)，延長使用壽命至原結(jié)構(gòu)的三倍，這將大大降低維護(hù)設(shè)備成本并節(jié)省因故停車造成的損失。圖3-2為?；萍寂c國內(nèi)某設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)情況

c)      不同方案磨損對比

圖 3?1 CFB磨損仿真結(jié)果（意大利BiomassaItalia公司）

圖 3?2 國內(nèi)某研究院生物質(zhì)CFB燃燒器仿真結(jié)果

        3.2. 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(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)品效率的微小提升也會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。磨損也是這類設(shè)備面臨的嚴(yán)峻問題，通常的設(shè)計(jì)檢修周期為5~8年，但大多數(shù)設(shè)備都會(huì)在3年左右就發(fā)生可靠性問題。設(shè)備每天會(huì)產(chǎn)生50~100萬美元的收益，因此，額外的故障停車將會(huì)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(jìn)設(shè)備存在的潛在問題。包括：

       l 設(shè)備磨損預(yù)測（可靠性是煉油行業(yè)第一大問題）

       l 氣固混合、顆粒停留時(shí)間

       l 催化劑跑損量預(yù)測

       l 催化劑再生后燃、溫度分布

       l 污染物排放

       l ……

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(jìn)行了模擬，整個(gè)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(shí)的三維全尺度裝置，并且包含復(fù)雜的內(nèi)部構(gòu)件，如圖3-3所示。模擬的目標(biāo)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3-4所示。并且將數(shù)值模擬結(jié)果與真實(shí)設(shè)備的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了對比，兩者吻合良好，驗(yàn)證了該模擬方法的準(zhǔn)確可行性。

     

圖 3?3 FCC再生裝置幾何模型

（1）時(shí)均溫度分布             （2）氣體速度分布

（3）時(shí)均O2濃度分布             （4）時(shí)均SO2濃度分布

圖 3?4 FCC再生裝置模擬結(jié)果展示

        3.3. 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(gè)兩相流問題，設(shè)計(jì)人員關(guān)注的問題包括：

       l 煤粉流化狀態(tài)

       l 氣固混合均勻性

       l 煤粉停留時(shí)間

       l 碳轉(zhuǎn)換率（合成氣產(chǎn)量）

       l 磨損

       l 溫度分布（冷點(diǎn)、熱點(diǎn)）

圖3-5、3-6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(jì)人員理解反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)反應(yīng)機(jī)理，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選取更為合適的氣化操作條件。

圖 3?5氣化器內(nèi)顆粒信息

圖 3?6氣化器內(nèi)氣體信息

        3.4. 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?！皟赡ァ卑ㄉ戏勰ズ退喾勰?； “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(jìn)行，焙燒則在焙燒爐中進(jìn)行。預(yù)熱分解和焙燒過程是一個(gè)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：

       l 顆粒運(yùn)動(dòng)

       l 氣固混合

       l 溫度分布：熱點(diǎn)、冷點(diǎn)

       l 二次燃料加注

       l 非設(shè)計(jì)工況運(yùn)轉(zhuǎn)：啟動(dòng)、停機(jī)

       l 磨損

       l 節(jié)能減排

所有這些問題都可以通過Barracuda軟件來進(jìn)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(jìn)水泥制造客戶的流程和設(shè)備，大大降低了開發(fā)成本。圖3-7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3-8。

圖 3?7水泥焙燒爐熱態(tài)模擬結(jié)果

圖 3?8 旋風(fēng)分離器優(yōu)化設(shè)計(jì)

        3.5. 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(jìn)行如下問題的分析：

       l 硅晶粒流化狀態(tài)

       l 氣固混合效果

       l 溫度對多晶硅沉積的影響

       l 流化床中毒原因分析

       l 轉(zhuǎn)化效率

       l ……

通過模擬分析反應(yīng)器的流動(dòng)反應(yīng)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)不合理的設(shè)備結(jié)構(gòu)與操作工藝，進(jìn)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(gè)進(jìn)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(jìn)行了模擬分析，分析發(fā)現(xiàn)：篩網(wǎng)進(jìn)口形式的流化床硅烷轉(zhuǎn)化率高；而噴嘴形式進(jìn)口的反應(yīng)器則更不容易堵塞。這也解釋了現(xiàn)代設(shè)計(jì)都采用混合進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)形式的原因。該計(jì)算模型得到了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證（如圖3-9所示），計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

圖 3?9模擬結(jié)果預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

a)反應(yīng)物與產(chǎn)物濃度分布

b）溫度分布

圖 3?10部分模擬結(jié)果展示

       3.6. 環(huán)保工程

隨著國家對環(huán)保要求的越來越高，各個(gè)行業(yè)都需要對排出的煙氣進(jìn)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(jì)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(jì)者優(yōu)化、改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和操作工藝提供指導(dǎo)。CPFD公司對如圖3-11所示的工業(yè)級脫硫系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，真實(shí)再現(xiàn)了整個(gè)脫硫工藝過程，模擬結(jié)果如圖3-12所示。

圖 3?11干式脫硫系統(tǒng)示意圖

圖 3?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）

      4. 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(dú)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(zhǔn)確分析設(shè)備運(yùn)行細(xì)節(jié)；

         3．顆粒相基于拉格朗日方法，能夠準(zhǔn)確計(jì)算顆粒運(yùn)動(dòng)，獲得真實(shí)流化狀態(tài)；

         4．以多種方式設(shè)置化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，滿足機(jī)理分析與實(shí)驗(yàn)研究雙重需要；

         5．可準(zhǔn)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(jì)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(jì)、運(yùn)行工況分析和設(shè)備檢測維護(hù)等諸多方面都可以進(jìn)行模擬。所得結(jié)果包含全面詳盡的顆粒運(yùn)動(dòng)、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(jì)及運(yùn)行時(shí)故障排查。