CFD(Computational Fluid Dynamics)是计算流体力学的简称，是以流体力学为基础，以数值计算为工具，通过求解三大控制方程(连续方程、动量方程和能量方程)或附加方程来获得相关参数，对流动问题进行分析。CFD技术的应用很广，凡跟流场、热传递和化学反应等相关的工业问题，均能很好地运用Fluent软件进行模拟和分析^[1]。CFD最早主要应用于传统的流体力学和流体工程，如：航天、机械和水电等，目前已拓展到化工、制冷和车辆等诸多相关领域中。众所周知，运用高阶非线性偏微分方程来描述化工过程的传质、传热、动量传递，很难得到想要的精确解，因为主体方程组需要许多边界条件方程和辅助方程加以封闭和限制，这需要性能强大的计算机来储存与计算。所以人们基本全是运用有限简化方法进行数学方程代数离散化，并辅以计算精度限制，进而求解得到一定意义上的数值解。在这种情况下，CFD通用软件包随之而出^[2]。

在众多CFD软件中，Fluent软件是当前国内外使用与学习人数最多的商业软件之一。Fluent软件的设计基于“CFD计算机软件群的思想”，从用户的需求角度出发，针对每一种复杂流动物理问题的特点，采用适当的离散格式和数值解法，模拟计算任意复杂外形的二维/三维流动、牛顿/非牛顿流体流动、定常/非定常流动等各种复杂流场，而且还可以模拟自然对流传热和强迫对流传热、各种热传导和对流传热相耦合的传热计算，具有稳定性好、精度高等优点^[3-4]。

使用CFD商业软件进行工程计算包括5大工序：1)网格生成；2)选择合适的物理模型以及设定边界条件；3)计算；4)检验计算结果是否准确可信；5)后处理^[4]。

在化工厂，流体的运动特性和传热机理对化工设备的优化具有指导意义，所以当各种气相、液相流体流过操作单元时，流场单元的流动情况通过Fluent模拟结果可视化表示出来，其模拟结果不仅可以为工程技术人员在生产过程设计、诊断，改善设备的运行、优化设备的操作条件、提高生产的安全性等方面提供理论依据，而且可大大缩短实验室研究时间，节省大量的人力和物力^[5]。目前Fluent软件在化工中的应用主要针对设备中流体的运动特性和传热机理进行研究，因此本研究旨对Fluent软件在此领域的应用和研究现状进行综述，为化工设备的优化和设计提供参考。

在化工、冶金、食品及高分子合成等工艺过程中不同流体的混合是一道必不可少的单元操作，单凭借输送流体过程中的自然湍流扩散，很难达到满意的混合效果，因此必须采用合适的混合器，使流体在短时间内进行有效地混合，在获得均匀特性的同时使能量的损失减小。不同工业由于流体性能和混合要求不同，相应混合器的构造也各不相同。国内外通常采用经验类比法设计混合器，用取样分析法检验混合效果。随着新科学技术的不断出现，采用数值模拟软件研究不同结构混合器内部的流动状况和混合效果受到关注，为进一步探索流体混合机理及设计和制造高效节能混合器奠定基础^[6-7]。

张晨和徐双庆等^[8-9]采用Fluent软件对管线式叶片-网孔型高剪切混合器进行模拟分析，预测的停留时间分布(RTD)与实验测得的结果相比，最大误差低于14%，在此基础上，还研究了高剪切混合器中定子开孔形式、腔室结构及定转子安装方式对停留时间分布的影响，优化了对快速化学反应过程的强化措施。结果表明：在圆形、菱形、“S”形以及齿形4种不同开孔形式的定子中，以圆孔形式最优；而将轴向长度缩短至与出口管径相同时，采用蜗壳形状的腔室外壳以及出口管与腔室相切的效果最好；当定转子偏心安装时的快速反应效果最好，但是功率消耗最大。

付琳等^[10]运用Fluent软件探究了聚氨脂低压混合器内组分流动状况以及不同混合头结构对混合器内流体传递过程的影响。模拟结果表明：混合器内组分流动状况稳定，无明显死区；混合器内流体传递过程的混合时间为30 s；将模拟结果结合混合头的机械加工难度及精度要求分析得出，当叶片层数为8、叶片倾角为15°时，混合效果最佳。将模拟数据与实验测得的结果相比，最高误差低于5%，具有很高的吻合度，表明运用CFD模型对低压混合器内组分传递过程进行模拟分析和预测是有效可行的。

马洪彬等^[11]和陈均凯等^[12]基于Fluent软件对螺旋静态混合器的流场和椭圆螺旋管道混合器内两相液体的混合性能进行了数值模拟研究，讨论了螺旋静态混合器中螺旋叶片组数、叶片扭转角度、叶片长度对该混合器混合效果的影响，讨论了椭圆螺旋管道混合器中截面形状、曲率半径、螺距及入口流速4个因素对该混合器混合效果的影响。结果表明：在螺旋静态混合器中，叶片组数增加，混合器流动阻力明显增大；叶片扭转角增大，混合器效果提高，压降有所增加；叶片长度对混合效果影响略小。在椭圆螺旋管道混合器中，截面形状的变化对混合均匀性影响较大；增加螺距混合效果变差；当曲径为30 mm时，混合效果最好；而液体流速的改变对混合器中液体的混合效果影响略小。

换热器是冶金、石油、化工等工业中常用的设备，其投资费用占整个工艺流程的20%~30%，可以说是占着很大的比重，因此其性能的好坏直接影响着生产过程能否顺利进行及生产成本的高低^[13]。按照Bergles的分类方法，强化换热方法可以分为无源技术(Passive Techinology)和有源技术(Active Technology)2种。所谓无源技术，即除了输送传热介质的功率消耗外，不再需要其他附加动力；而有源技术却必须依赖外界机械力或电磁力的帮助。因此无源技术在工业中应用更为广泛，目前可采用扰流元件、涡流发生器、旋流元件和螺旋管等方法进行强化。这些特殊结构会产生涡旋和扰动来减小边界层厚度，增大低热阻区，从而强化了传热^[14-17]。用Fluent软件可以更加形象具体地研究涡旋、扰动、换热通道的流动、轴向导热、各种物理结构等对换热器换热性能的影响。

刘春江和高猛等^[18-20]采用Fluent软件研究了装配有涡流发生器矩形换热通道的流体流动和换热特性，并在此基础上对其强化换热机理进行分析。结果表明：斜截半椭圆柱面型涡流发生器的综合性能较矩形小翼、三角形小翼、梯形小翼、斜截半圆柱面和斜截半椭圆柱体要好。装配有涡流发生器的通道内，在装配处产生了纵向涡，使截面涡值量明显增加，从而强化了换热过程。

康蕊和代中元等^[21-23]为了研究轴向导热对板翅式换热器传热性能的影响，引入了无量纲参数传热恶化率(η)作为评价标准，采用Fluent软件研究了翅片结构参数(翅高、翅厚和翅宽等)对空气流动特性和传热特性的影响，讨论了流体工况下影响η的因素。研究结果表明，轴向导热对板翅式换热器传热性能的影响程度较大；随着翅片高度的增加，换热效果增强，但是流动阻力损失增大，翅片厚度存在最优值；流体工况下翅片类型、流体种类、翅片材料等因素对η均有影响。

Maakoul等^[24-26]运用数值分析研究了环形侧面带有螺旋挡板的双管换热器的设计和热液压性能，使用Fluent软件建立了三维流体动力学计算模型，研究了不同构型的环侧流体流动、传热系数和压降，对不同的雷诺数和挡板间距进行了数值分析。结果表明：与简单的双管换热器相比，采用螺旋形双向环形侧面，可增强传热性能，但压降增大。

在整个工艺流程设备的建设投资和操作费用中，反应器所占的比例没有换热器的大，但其性能和操作的好坏却直接影响着产品的产量及质量，同时对原材料消耗、能源损耗和产品成本也产生重要影响。因此，反应器的研究和开发工作对于涉及反应的行业有着重要的意义。目前，新型化学反应器的研究主要是：1)根据新的工艺要求，对传统反应器进行改造；2)将几种传统的单元过程耦合在同一设备中，使反应器具有多种功能；3)采用新的辅助手段，强化反应器的性能；4)根据特殊的工艺要求，研究开放特殊形式的化学反应器。为了满足新的工艺要求或进一步改善反应器的技术指标，应用Fluent软件对传统反应器进行技术改造是开发新型反应器的重要手段，目的是降低反应器的压降，提高相间的传质、传热速率，改善反应器的温度分布、速度分布或停留时间分布等^[27-28]。

刘甜甜等^[29-30]为了解决二硝基甲苯加氢自吸式反应器中存在的内流动复杂，且很难通过实验得到全面研究结果的难题，利用Fluent软件对该反应器建立了三维反应器模型，采用欧拉两相流方法，对空心叶轮自吸式反应器与双圆盘叶轮自吸式反应器内的流体流动状况进行了研究，并且对六叶轮自吸式反应器(一叶挡板)与改进的六叶轮自吸式反应器(四叶挡板)气液分散性能进行了研究，使反应器内的流动可视化。结果表明：实心叶轮自吸式反应器的吸气特性的模拟数据与实验测得的数据吻合较好；对于单层桨叶自吸式加氢反应器，相同桨径的空心叶轮较双盘叶轮的吸气性能与气液分散性能更佳；挡板可以有效促进气液分布均匀性，四叶挡板反应器比一叶挡板反应器的气液分散效果更好。

杨竟宪等^[31-32]运用Fluent软件中的气液-颗粒两相流体模型，对脱硫工艺(NID)反应器中不同工况下的三维流场进行模拟计算，模拟计算了NID反应器内颗粒速度和浓度的分布，并分析了反应器内流场的形成机制以及不同烟气进速和颗粒粒径对塔内压降的影响。根据模拟数据分析可得，在烟气进速为18 m/s，颗粒粒径为0.5~50.0 μm时，颗粒浓度分布均匀，塔内回流区最小，压强变化稳定，最有利于提高实际工业运行的稳定性与安全性。

张照等^[33-36]在对甲烷氧化偶联制乙烯(OCM)反应的研究中，使用Fluent软件分别模拟分析了装填颗粒催化剂的固定床反应器、装填整体式催化剂的固定床反应器、两段式固定床反应器和中间补氧的两段式固定床反应器，考察了床层高度、反应温度和补氧量等参数对反应器特性的影响。结果表明：1)颗粒催化剂反应器沿流动方向流体速度逐渐增加，密度减少；整体式催化剂反应器的流速沿内壁面法向方向先升高再降低；2)在P₁₀M₅₀(10 mm颗粒催化剂，50 mm整体式催化剂)反应器内，在耗氧量较小的情况下，整体式催化剂床层可以提高C₂产物选择性和收率，当反应温度为800 ℃时，C₂产物的选择性最佳；当整体式催化剂床层高度和颗粒催化剂床层高度分别为50和10 mm时，C₂收率最佳；3)补充氧气可促进整体式催化剂床层OCM反应，导致出口处C₂产物选择性和收率、床层内的壁面热通量和流速随补氧量升高而升高，而密度逐渐变低。

结晶技术是无机盐生产、冶金、制药等工业中不可或缺的分离技术，具有高效、低耗、低污染的特点。但结晶器设计存在放大效应，小试的结果很难直接用于工业生产，因此过去很长一段时间结晶器的设计完全依靠经验。随着对结晶成核、成长的研究以及计算机软件的发展，应用Fluent软件进行工业结晶过程的模拟，使得结晶器的设计及优化向着半理论、半经验阶段发展。

Mokhtari等^[37]使用Fluent软件着重研究了不同结晶生长参数对柱形和球形直拉法结晶工艺的影响，提出了2种不同形状的三维计算机模拟模型。结果表明：压力改变影响着大流量的涡量、自由表面和生长界面；压力场对于对称性的破坏和晶体的生长比温度场、速度场影响更大。

Enayati等^[38]使用Fluent软件对横向加热圆柱形氨热晶体生长反应器中的流场和热场进行模拟时，考虑了具有顶部至底部温度梯度的横向加热的圆柱形外壳。结果表明：实验和数值模拟比较，流型是相似的，并且该区域中选定点处的速度傅里叶变换匹配得较好；在模拟中，还发现反应器内部温度反转对矿化剂(酸性或碱性)的选择具有潜在影响。

Chen等^[39]用Fluent软件对新型多孔中空纤维反溶剂结晶器建模，模拟预测了结晶器设备的流体动力学和其他混合特性，意在促进过程的优化和预测。结果表明：在不同的流动条件下，优化的流量比在数值上是相同的，其中一个的中空纤维膜数量是另一个的2倍；壳侧混合的优化流率组合也与之前获得的实验结果一致。

Fluent软件对化工设备的模拟研究与传统的实验室实验和工业试验相比，不仅研究分析周期短，产品开发成本较低，没有实验仪器的干扰，计算过程和分析结果可在计算机屏幕上直观地展现出来；而且还可以替代一些恶劣工况和复杂边界条件下的常规实验和工业试验研究，减少研究者在计算方法、编程、前后处理器等方面投入的重复、低效的劳动，使研究者可将更多的精力和时间投入到考虑问题的物理本质、优化算法、选用参数的设定中，从而提高工作效率。由于化工生产大多体系复杂且生产规模大，应用Fluent软件对化工过程进行数值模拟时，常需要对复杂的边界条件作一些简化和假设，这可能导致计算结果与实际结果存在一定的偏差。因此，为了提高模拟的准确性与精确度，需进一步加强对设备结构特点的理论研究，同时也需要进一步强化计算模型的研究，为化工过程装备优化提供理论和技术支持。