工业级流态化及化学反应模拟软件Barracuda
更新时间：2025-05-27 发布人：海基科技
1. Barracuda软件及CPFD方法简介
Barracuda软件由美国CPFD 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元模型的优点于一身，为工业级流态化问题的研究提供了全新的技术手段，在煤化工、石油化工、冶金和电力等行业的大规模工程流态化问题中得到广泛应用。
图 1‑1 CPFD计算颗粒示意图
2. Barracuda软件功能特点
2.1. 快速高质量的网格生成方法
Barracuda软件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。
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。如下图所示为某复杂反应器的网格模型，反应器中央有70多根导热油管和多个喷嘴，几何尺寸范围差异较大，Barracuda网格技术仍可精确表达几何结构。
图 2‑1 Barracuda网格对复杂结构的适应性
图 2‑2 Barracuda对复杂工业设备网格划分结构示意图
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。
2.2. 多物理场耦合求解能力
Barracuda软件具备流体、颗粒、流体-颗粒耦合求解以及化学反应求解能力，可实现流场、化学反应、传热和离散颗粒的两两耦合仿真计算，具体可包括流体-固体颗粒耦合、流体-化学反应、流体-传热、离散颗粒-化学反应、离散颗粒-传热等过程。
图 2‑3 RCCU再生器流化、燃烧过程云图
气泡颗粒求解能力
软件具备连续性不可压缩流体求解模型（连续性液体），可实现连续性液相流体与离散性气泡之间的耦合求解，包括液体与气泡之间的质量、动量和能量交换，得到气泡在液体中的运动轨迹、速度分布以及气泡与液体之间的相互作用力（曳力、升力等作用力）。
液滴蒸发求解能力
软件具备液滴蒸发模型，可在颗粒层级上定义颗粒含水量的大小，用于准确模拟液滴在热环境中的蒸发过程，包括液滴的蒸发速率、液滴颗粒温度分布以及液滴由于蒸发造成的体积缩小等。
2.3. 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，用户可以灵活调用、编辑修改。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，并支持新建算例从已有算例中导入物料参数。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。
图 2‑4 粒径自定义分布
图 2‑5 Barracuda颗粒层级的多相多组分反应示意图
Barracuda软件内置有多种曳力模型供用户按需选择，其中包括常用的模型有：WenYu、Ergun、WenYu-Ergun、Stockes、EMMS等曳力模型。此外，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。
软件具备颗粒碰撞求解模型，如Harris-Crighton Model，可实现大规模稀疏及密集颗粒的接触碰撞过程求解，并可通过设置颗粒-颗粒的碰撞恢复系数、颗粒-墙壁的碰撞恢复系数等参数调整颗粒碰撞所造成的动量损失，适用于不同的碰撞条件。
2.4. 庞大的颗粒量处理能力
工业级流态化设备装置一般尺寸较大，设备内的颗粒量也非常庞大。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采用了粒子云模型的技术概念——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方法可以处理的计算颗粒数量达到数百万级别，真实颗粒量达到1e+16量级，完全满足工业级计算的需要。同时，还可以定义颗粒的成分以及粒度的分布，从而与实际贴合。
图 2‑6 真实颗粒1e+16量级
2.5. 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。
2.6. 颗粒层级的化学反应动力学模拟能力
Barracuda拥有完整的化学反应动力学模拟能力，包括气体-气体、固体-气体、固体-固体化学反应（此处气体为可压缩流体），并支持液体-气体、液体-液体、液体-固体化学反应（此处液体与气体均为不可压缩流体）。
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。
2.7. 常用工质热力学物性参数数据库
Barracuda软件内嵌有丰富的材料属性数据库，并且软件内置了多种常用物质，包括了多种流体工质与颗粒工质，工质涵盖了气体（空气、一氧化碳、二氧化碳等）、液体（水以及多种液体化合物）、固体（铝、碳、铁等）层面，用户可依据需求对所需物质内容导入使用。除此之外，用户可根据自己的需要去定义物质的物理与化学属性，或者直接创建一种新物质。此外用户可对所需的工质力学参数进行保存、修改与调用。工业中真实的颗粒一定是包含有多种化学组分以及挥发组分。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。
图 2‑7 常用工质热力学物性参数数据库
2.8. 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。
旋风分离器是石化工艺中的常见设备，下图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 2‑8 旋风分离器蜗壳内壁面磨损
图 2‑9 旋风分离器上升管壁面磨损
2.9. 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。
为了进一步提升软件的计算速度，CPFD公司研发了一种特别适用于离散相颗粒计算的GPU并行程序。该程序基于拉格朗日方法对颗粒相进行求解，需要对每个计算颗粒进行追踪。而一块GPU卡包含了数千个内核，因此对于上千万颗粒的追踪求解可以分配到这些GPU核上进行，从而显著提高了计算求解速度。测试结果显示，与CPU求解器相比，性能优异的GPU求解器的计算速度可以提高数十倍，但不同模型的速度会有所差异，具体数据如图所示。这意味着使用GPU并行程序可以大大缩短计算时间，从而更快地获得计算结果。这一优势对于处理大规模复杂颗粒流动和化学反应问题具有重要意义，使得Barracuda软件在工业应用中具有更广泛的应用前景。
图 2‑10 GPU求解器计算速度提升对比
2.10. 强大的后处理功能
Barracuda软件内置了专业流体、颗粒后处理软件tecplot，能够同时提取流体和颗粒这两大类数据。包括：
1）获取流体的关键信息如流体的压力场、浓度场、速度场、温度场、流体化学反应速率等；
2）颗粒的关键信息如颗粒的体积分数、速度分布、温度分布、组分分布、粒径分布、停留时间分布、颗粒的运动轨迹、离散颗粒化学反应速率等。
3）Barracuda软件支持创建监测点、监测面分别对某一位置、截面进行流体、颗粒数据监测，获取如温度、速度变化，以及各种流通通道的流量变化等。
图 2‑11 专业后处理工具Tecplot
图 2‑12 FCC再生器后处理云图（时均温度、时均流体流速）
图 2‑13 FCC提升管反应器后处理云图（颗粒体积分数、颗粒温度、气体组分浓度、颗粒组分分布）
3. Barracuda软件应用范围
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。
3.1. 能源电力行业
目前，我国电力还是以火电为主的国家。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：
l 炉内流化状态
l 气固混合均匀性、二次风优化
l 温度分布及其对排放的影响
l 磨损
l 烟气颗粒夹带
l 非设计工况性能
图3-1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3-2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 3‑1 CFB磨损仿真结果（意大利BiomassaItalia公司）
图 3‑2 国内某研究院生物质CFB燃烧器仿真结果
3.2. 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：
l 设备磨损预测（可靠性是炼油行业第一大问题）
l 气固混合、颗粒停留时间
l 催化剂跑损量预测
l 催化剂再生后燃、温度分布
l 污染物排放
l ……
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3-3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3-4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 3‑3 FCC再生装置几何模型
（3）时均O2浓度分布 （4）时均SO2浓度分布
图 3‑4 FCC再生装置模拟结果展示
3.3. 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：
l 煤粉流化状态
l 气固混合均匀性
l 煤粉停留时间
l 碳转换率（合成气产量）
l 磨损
l 温度分布（冷点、热点）
图3-5、3-6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 3‑5气化器内颗粒信息
图 3‑6气化器内气体信息
3.4. 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：
l 颗粒运动
l 气固混合
l 温度分布：热点、冷点
l 二次燃料加注
l 非设计工况运转：启动、停机
l 磨损
l 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3-7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3-8。
图 3‑7水泥焙烧炉热态模拟结果
图 3‑8 旋风分离器优化设计
3.5. 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：
l 硅晶粒流化状态
l 气固混合效果
l 温度对多晶硅沉积的影响
l 流化床中毒原因分析
l 转化效率
l ……
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3-9所示），计算结果准确可靠。
图 3‑9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 3‑10部分模拟结果展示
3.6. 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3-11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3-12所示。
图 3‑11干式脱硫系统示意图
图 3‑12 干式脱硫系统模拟结果（含硫量、脱硫剂温度、脱硫剂含水量）
4. 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。
