CFD模拟与虚拟现实可视化在炼油行业的应用

DAE专栏 / 08-11

一. 引言
炼油工业是涉及许多资本和能源的密集型过程。由于复杂的现象和测量的困难，通过高保真计算流体动力学（CFD）数值模拟的发展，可以最容易地获得工艺优化所需的知识。CFD已经成为一种强大的模拟技术，用于工业过程设计和优化，以提高生产效率、优化能源利用率、促进环境管理和质量保证。

 随着CFD能够模拟越来越复杂的工况以及分析得到越来越多的数据，以有意义的方式插值和呈现数据是CFD专家和设备工程师之间有效沟通的关键。传统上，CFD专家经常使用二维图像并将结果动画化，以帮助信息易于理解。近年来，虚拟现实技术使人们能够在虚拟环境中分析大量的CFD数据。虚拟现实创造了一个计算机生成的世界，在这个世界里，不是分析专家的人可以在一个他们很容易理解的环境中看到结果。即使是熟悉分析结果的人也能获得新的洞见，从而能够在更短的时间内理解观察到的问题的根本原因并规划设计变更。
二. 背景介绍
许多工业精炼过程由于复杂的现象和不适宜的条件（如高温或接触危险物质）而无法直接观察到。近年来计算机技术的飞速发展使得高保真CFD模拟的发展成为可能。这是一种强大的分析工具，可以提供关于复杂流动的流体动力学、传热学和化学动力学的详细信息。可以用计算机对这类系统进行广泛的参数和优化研究。具体而言，模拟可用于获得基本见解，研究关键操作和设计参数的影响，并制定优化流程的策略。CFD能够在比构建物理原型所需的时间短得多的时间内提供完整的信息，这使得它成为许多行业解决广泛设计和优化问题的工具。
CFD采用数学方法来模拟和预测流体流动系统中的流动特性。工业过程的CFD模拟已经变得越来越复杂，因为解决方案通常是三维的，涉及多个阶段，并且与时间有关。随着CFD能够模拟越来越复杂的工况以及分析得到越来越多的数据，以有意义的方式插值和呈现数据是CFD专家和设备工程师之间有效沟通的关键。过去，设计工程师依赖CFD专家来解释模拟结果。最近，虚拟现实技术提供了一种在虚拟环境中可视化和分析大量CFD数据的有效手段。
VR通过简化分析结果转换为设计解决方案的过程，开始对工程设计产生重大影响。它创造了一个计算机生成的沉浸式环境，在这个环境中，设计工程师将能够从第一人称角度使用CFD的模拟结果评估其设计的性能。寻求将CFD与虚拟现实相结合的新兴研究领域称为虚拟工程（VE）。在工业CFD应用中实施VE需要进一步和具体的开发，以便更有效和高效地可视化工业合作者的数值模拟结果。
本文讨论了CFD与VR耦合的多种工业应用。CFD和VR的新发展为工业过程的设计和优化提供了一种新兴的技术，因为它创造了一个安全和富有成效的工作环境，在这个环境中，人们可以体验到复杂、危险、还不存在或不可能直接探索的世界。
三. 解决方案
如图1所示为北京朗迪锋科技有限公司提出的解决方案，此解决方案不仅可以实现CFD与VR耦合，还可以实现其它学科数据与VR的耦合。此解决方案以MultiViz和MakeReal3D为核心，集成流体CFD、结构FEM、热、三维CAD、三维场景以及交互编程的文本等多学科数据，通过鼠标键盘、显示器、VR头盔、沉浸式立体显示系统等设备进行可视化交互。
图1 解决方案结构图
四. 结果与讨论
结合VE在炼油过程中的应用，给出了CFD与VR耦合的几个实例。在这些应用中，先进的CFD模拟提供了详细的流动特性，而VR可视化则为在沉浸式三维环境中呈现复杂的CFD数据提供了有力的途径。这使得研究人员和合作者能够从第一人称的角度观察虚拟世界中的设施运行情况。它大大减少了评估、故障排除和优化过程所需的时间和精力。
空气分配器
在炼油工业中，燃烧空气的连续供应是非常必要的。在各种熔炉中使用了大量的空气分配器。在这种应用中，几个分配器为氢气转化炉中的天然气燃烧提供空气。空气分配器从一个公共入口向直接连接到燃烧器的11个风管供应空气。为了维持对氢气形成至关重要的良好加热环境，要求所有燃烧器的燃烧负荷均匀。燃烧器负荷的均匀性由分配器提供的气流的一致性决定。因此，有必要深入了解分配器的运行状况，从而优化分配器的性能。

采用CFD对氢气转化炉内的空气分布器进行数值模拟。仿真结果为分析和优化操作过程提供了一种全面的方法，最终达到提高其性能的目的。空气分配器的几何模型如图2所示。计算出的流线和速度矢量如图3所示。轮廓的颜色显示速度大小，而矢量表示空气分配器内的流动模式。CFD结果提供了在现实中很难获得的详细信息。然而，由于可视化方法的局限性，结果并没有以非常直观的方式呈现。它需要大量的经验和专业知识来向行业合作者解释结果。


图2 空气分配器的几何模型

图3 速度矢量与流线分布

在虚拟现实系统的辅助下，计算结果可以在真实的三维环境中呈现。沉浸式可视化为理解、观察和分析仿真结果提供了更直观的方法。如图4所示，三维空气分配器模型由静压着色。图5显示了由速度着色的流线，内壁由静压着色。用户可以直接在全尺寸分配器内沿许多流线飞行，这些流线可以由许多参数（如速度、压力、温度等）来着色。

图4 虚拟现实中显示的空气分配器

图5 虚拟现实中分配器内的流线分布

图6 虚拟现实中分配器内的速度矢量

图6显示了分配器内部的视图。图6中的向量还显示了速度大小及其方向。虚拟现实系统允许研究人员检查设备内部并分析其具体特性。通过CFD数据到VR的转换，可以将整个模拟数据集导入到VR模型中。程序接收到射线与数据相交的位置，并将其坐标与CFD数据中的计算网格坐标进行比较。在CFD网格坐标系中定位最近的点和相应的属性值（速度、压力等），然后在沉浸式环境中显示。这使得虚拟探针的功能得以发挥，可以使用它来获取任何点的定量数据。图7显示了VR系统中的计算网格以及速度矢量。
通过对虚拟现实中模拟结果的观察，发现了出口处气流的不均匀性。图8显示了几个出口处的速度矢量。颜色的偏差表明流量分布不均。通过这种快速观察，对存在的问题进行优化处理。在图9中可以看出，在出口处安装挡板能够更精确地调节流量。气流已经非常均匀地分布到所有的出风管道上。

图7 虚拟现实中的速度矢量与计算网格

图8 无阻尼器出口处的速度矢量

图9 带阻尼器出口处的速度矢量

通过建立湍流CFD模型实现了对空气分配器的流动仿真。在虚拟现实系统中呈现的仿真结果提供了单元性能优化的见解。与现有设计相比，送风均匀性得到了显著改善。 
氢气转化炉
在石油炼制工业中，氢转化炉被广泛用于将碳氢化合物转化为氢气，在精炼过程中用于生产低硫汽油和柴油。氢气转化炉的燃烧过程为催化剂管内的化学反应提供了加热环境。CFD模拟已被用于模拟炉运行和评估炉温均匀性。根据对现有熔炉运行的了解，可以进行优化，以避免催化剂管潜在的过热。计算几何如图10所示，图11显示了计算结果的速度矢量分布。在VE系统的辅助下，可进行进一步的分析。

图10 氢气转化炉计算几何

图11 炉内速度矢量

在图12中，CFD模型显示在沉浸式系统中。可以很容易地观察到，该炉包含四排40根管的管排，其中五排燃烧器布置在管排的每一侧，以便为催化剂管内的化学过程提供热量。天然气燃烧产生五排火焰。图13显示了火焰区域周围的速度矢量和等温表面的分布。这些矢量被设置成动画以精确地显示炉内的流动模式。如图14所示，四排管子的颜色由温度决定。通过红点区域，可以很容易地定位过热区域。图15和图16显示了底部通道内的详细流动模式，这可能导致管道下部过热。

图12 虚拟现实中的氢气转化炉

图13 虚拟现实中的速度矢量和温度等值面

图14 催化剂管温度云图

图15 详细的管温度和流型

图16 底部通道内的详细流型

在CFD和VR的结合下，三维湍流反应数值模型用来模拟氢转化炉，该模型包括来自多个燃烧器的天然气燃烧。身临其境的环境使研究人员能够在更短的时间内定位过热区域。因此，优化过程可以以一个非常及时的方式进行。
冷却塔水池
工业冷却塔广泛应用于发电厂、炼油厂、食品加工厂等循环冷却水系统中用来吸收热量。通过CFD模拟和VR可视化对冷却塔水池的设计进行评估。

冷却塔水池的几何形状如图17所示。通过对泵运行过程的模拟，得到了详细的流动特性。图18显示了当出口泵同时从水池排水时，出口处的几个垂直面。其中一个关键的设计准则是尽量减少泵区周围的表面涡流形成，以避免气蚀。为了给设计提供一个全面的评价，可以使用虚拟现实技术对仿真结果进行分析。

图17 冷却塔水池的计算几何

图18 CFD计算的速度矢量

图19展示了一个带有流动流线的水池的概况，流线由速度着色。吸入口附近的详细流型如图20所示。通过在沉浸式系统中观察流型，发现在所有泵运行的情况下，每个吸入室的拐角处几乎没有涡流。每个泵的流量分布相对均匀，通过滤网的压降很小。然而，在图20至图22中，在停用角泵后，存在更多的涡流。尤其是在混凝土柱周围的区域，在最靠近非活动出口的吸入间产生了更多湍流。图23提供了旋涡的详细视图。由于紊流主要是由混凝土柱（支撑着防护屏）引起的，建议尽量减小柱的尺寸，以减少任何潜在的漩涡形成。

图19 VR中的冷却塔水池

图20 几个吸入口处的流线分布

图21 吸入口处的流线和计算网格

图22 屏幕附近的详细漩涡构造

图23 底层涡的构造

VE平台提供了对复杂仿真结果的全面访问。它允许研究人员和合作者从第一人称的角度全面分析和评估设计。通过对CFD结果的全面分析，尽管在滤网周围观察到了几个涡流，但设计是成功的，并符合合作者的标准。
加热炉管道系统（GOHT）
在炼油工业中，柴油加氢处理装置（GOHT）为流化催化裂化装置（FCC）生产低硫原料。油气和氢气混合物通过管道系统输送至GOHT炉。原始蒸汽的不均匀分裂和/或相分离将导致加热不均匀以及炉管金属温度过高，从而导致管道寿命缩短，并可能导致管道破裂。CFD研究旨在模拟整个管道系统中的两相流状态，并显示每个流动分流不均匀的程度。

图24展示了GOHT管道系统的计算几何结构。汽油和氢气的混合气流从右侧的入口进入系统，并分配到四个出口。图25显示了模拟结果，给出了不同平面上的体积分数等值面。进一步的观察需要借助VR系统来全面分析流型和两相浓度。

图24 GOHT管道系统的计算几何

图25 汽油体积分数等值面

在三维沉浸式环境中可视化多相CFD结果可以全面了解管道系统的运行情况。图26在VR中显示了管道的外形。从图27和图28中可以看出，混合物在出口前的第一个分流口和第二个分流口处被分成两股。两种流体在进口处分布均匀。然而，由于油气密度较高，当流体通过弯管时，观察到不均匀分布，如图27所示。

图26 VR中GOHT管道的整体视图

图27 第一个分流口处的流线

流线表明弯管处存在由离心力引起的扭曲流型。研究人员可以“飞”进管道，观察详细的汽油和氢气浓度信息和流动特性，如图28所示。从管道内部看，图28和图29也显示了更多的旋转流动模式。这会导致出口处更大程度的不均匀性。从图30可以看出，出口处的流线显示了汽油体积分数的不均匀性。

图28 第二个分流口处流动的旋转运动

图29 扭曲流型与汽油体积分数

图30 出口处的汽油体积分

多相湍流CFD模拟结果在VR系统上可视化，以全面评估GOHT管道设计。通过对仿真结果的分析，得到了出口流量的偏差。整个管道系统的速度、压力和浓度的变化也可以在沉浸式环境中进行监控。评价结果表明，该设计满足工业标准。
 
五. 结论
在本文中介绍了CFD与VR耦合在炼油行业的多种工业应用。全面的CFD建模提供了详细的流动特性，以了解非常复杂和耗时的系统模拟实验。CFD与VR的集成形成了一个强大的解决方案，允许研究人员、工厂工程师、操作员和其他人员将他们的经验直接引入设计和优化过程。虚拟工程为研究人员和工业合作者提供了查看所有数据的总体情况以及仔细检查CFD计算中的特定数据点的机会。在沉浸式环境中，非仿真专家也可以很好的理解复杂的模拟现象。与普通台式机相比，虚拟工程系统提供了一种非常有说服力的体验，以实现更好的跨学科交流。它还使人们能够以协作和直观的方式工作，以减少设计时间，从而获得更好的工程解决方案。虚拟工程为工业过程的设计和优化提供了一种新兴的技术。

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