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基于计算流体力学的高炉多相流整体建模

商晓东  
【摘要】:在整个钢铁冶金行业中,炼铁高炉的重要地位无法替代。随着我国炼铁工业的高速发展,在钢铁行业增加产量,提高技术,以及推进高炉大型化、自动化的进程中,新的科研难题摆在众多科研工作者面前。高炉作为最复杂的化学反应器之一,其内部环境伴随着高温度、高压力,在炉料下降和煤气流上升过程中二者不断接触,动量、能量和质量之间的传输持续发生,各种物理化学反应在相互制约下同时进行。对其进行解剖实验成本巨大、数据种类有限,有着明显缺陷;而现场的实际测量,也难以应对其恶劣条件,无法了解高炉内部的详细情况。随着计算机技术的进步,考虑到安全性、经济性、准确性,以及从实际生产的高炉过程进行解析的角度考虑,建立高炉数学模型进而求解并进行仿真研究是必然的选择。 本文首先研究了高炉炼铁的过程和规律,从高炉过程所遵循的质量、动量和能量守恒的物理规律入手,建立起基本的数学方程来进行描述,基于计算流体动力学建立了高炉的整体二维数学模型的框架。接着,在合理的假设下,确定了气、液、固三相之间的动量、能量和质量的传输关系,考虑了高炉内所发生的主要物理化学反应,并将其引入源项,将各自的守恒方程具体化,建立起可以实施的多相流数学模型。然后,对比目前的手段,找到了合适的高炉数学模型的求解体系和计算方法。考虑精度要求、编程的难易程度和计算量等问题,选用应用广泛且物理意义明确的有限体积法;根据高炉的形状特点,选用求解区域的边界与坐标系的坐标轴平行的圆柱坐标系,达到简化计算的目的;采用速度较快的TDMA法进行迭代计算,对离散方程进行数值求解;流场的求解采用目前主导的SIMPLE算法(求解压力耦合的半隐式算法)。最后,将典型高炉的内型参数和运行数据作为仿真计算的输入和约束条件对高炉过程进行仿真,分别给出了气、固两相的速度矢量和温度分布。可用于高炉过程的模拟,有助于对高炉内部现象的直观理解。


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