基于CFD/NHT分析技术的高炉炼铁过程建模与仿真研究

论文摘要

高炉炼铁过程(通常被称为“高炉过程”)是世界冶金工业不可或缺的重要环节，是生产铁水的主要手段。该过程具有多相态共存、物理化学现象交错的特点，而且高炉生产条件恶劣，内部情况难以观察。为了更好地控制生产，现代高炉广泛配备自动化控制系统，引入故障推断模型，但它们仍存在以下主要缺点：①缺乏预测性能，指导性差，过于依赖经验信息；②对高炉中的存在状态分析粗犷，内部相态耦合关系不明确，难以弄清机理和细节；③提供的信息量少，无法全面反映高炉运行情况，面向操作人员可读性差；④缺乏整体分析高炉过程的手段，不利于真实机理研究。随着高炉监测水平的提高和复杂现象机理研究的深入，应该逐渐抛弃原有靠经验指导高炉生产的传统方式，创建能够弥补以上缺陷的新的技术方法，建立起高炉过程仿真体系，使其具备离线预报功能，能够细致分析炉况、提供丰富信息。高炉过程仿真技术的应用为解决高炉大型化带来的难题，进一步提高高炉冶炼水平和促进冶金工业跨越式发展具有非常重要的理论和现实意义。 本论文以山东省科技发展计划项目[012050107]为依托，面向高炉大型化引出的难题和冶金行业可持续发展的要求，以高炉的多相态耦合流动和传热过程作为研究对象，建立多相态多维数学模型、探讨仿真关键技术。课题应用计算流体力学(CFD)和数值传热学(NHT)理论剖析高炉炼铁过程，从多个角度和层次进行仿真，拟实地预见和再现高炉内状态。 针对国内高炉炼铁工艺，分析了高炉内部全过程的多相态特性，提出了高炉炼铁复杂过程的多相态研究方法以及高炉过程整体建模理论框架，建立了适合高炉过程特点的数学模型控制方程，以此为基础创建了通用的高炉过程多相态多维仿真环境。针对高炉过程建模、求解和数据可视化处理的工作要求，根据高炉过程符合的自然定律，给出了通用的高炉过程守恒方程。着重对高炉回旋区的湍流流动和燃烧现象进行了数学建模。将矿石还原反应的未反应核理论引入高炉过程数学模型，并提出其它化学反应在仿真计算中的处理办法。阐述了高炉过程的有限容积法求解思路及其流场的SIMPLE算法，以及高炉过程的计算流体力学和数值传热学分析技术。提出以商用软件开发作为辅助分析手段，可以更有效、拟实地完成数值模拟工作。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 物理量名称及符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景、目的和意义
• 1.2 课题研究现状及发展趋势
• 1.2.1 高炉过程的实验研究
• 1.2.2 国外高炉专家系统的研究进展
• 1.2.3 国内高炉专家系统的研究进展
• 1.2.4 多相热流过程数值计算技术的应用
• 1.2.5 CFD/NHT分析技术的发展趋势
• 1.2.6 高炉过程建模研究的进展
• 1.2.7 冶金过程可视化技术的应用现状
• 1.2.8 高炉过程仿真研究中存在的难题
• 1.3 本课题的研究内容
• 第2章 高炉过程的建模理论和方法
• 2.1 高炉炼铁工艺分析
• 2.2 高炉过程的多相态整体建模方法
• 2.3 高炉过程基本方程的建立
• 2.3.1 高炉过程控制方程的建立
• 2.3.2 单值性条件的设定
• 2.4 高炉中湍流过程的数学描述
• 2.5 矿石还原反应的理论建模
• 2.5.1 矿石还原反应的速率方程
• 2.5.1.1 外扩散
• 2.5.1.2 内扩散
• 2.5.1.3 界面反应
• 2.5.1.4 通用模型
• 2.5.2 其它化学反应速率的计算
• 2.6 高炉过程数模的基本求解方法
• 2.6.1 高炉过程的有限容积法求解
• 2.6.2 高炉不规则区域的离散化方法
• 2.6.3 高炉过程守恒方程的离散化方法
• 2.6.4 高炉过程中流场的求解方法
• 2.7 高炉过程的CFD/NHT分析技术
• 2.8 本章小结
• 第3章 高炉过程的多相态数学模型及其计算
• 3.1 面向建模的高炉过程分析
• 3.1.1 对风口带的分析
• 3.1.2 对软熔带的分析
• 3.1.3 对炉料带的分析
• 3.1.4 对块状带的分析
• 3.1.5 高炉过程仿真的技术要点和目标
• 3.2 高炉过程的多维多相态数学模型
• 3.2.1 相态间动量传递的数学描述
• 3.2.2 相态间热传递的数学描述
• 3.2.3 相态间质量传递及化学反应的描述
• 3.3 高炉过程数学模型的改进
• 3.3.1 碳元素反应的修正
• 3.3.2 炉料沉降的修正
• 3.3.3 有关液相的修正
• 3.3.4 反应热的处理
• 3.4 高炉过程边界条件的建立
• 3.4.1 设置边界条件
• 3.4.2 确定死料区边界
• 3.5 高炉过程数学模型的求解
• 3.6 商用软件仿真高炉过程的不足
• 3.7 本章小结
• 第4章 高炉过程的仿真分析及实验研究
• 4.1 典型炉况仿真及实验研究
• 3高炉的典型炉况分析'>4.1.1 750m³高炉的典型炉况分析
• 4.1.1.1 不理想炉况的仿真
• 4.1.1.2 顺行炉况的仿真
• 4.1.2 高炉回旋区的冷态实验研究
• 3高炉的典型炉况分析'>4.1.3 1750m³高炉的典型炉况分析
• 3高炉的现场数据分析'>4.1.4 1750m³高炉的现场数据分析
• 4.1.4.1 直接测量的数据分析
• 4.1.4.2 软熔带推断分析
• 4.1.4.3 炉身静压变化分析
• 4.2 其它炉况的仿真分析
• 4.2.1 不同炉料结构的仿真分析
• 4.2.2 不同喷煤条件的仿真分析
• 4.3 高炉过程的瞬态温度场仿真分析
• 4.3.1 高炉过程的瞬态仿真方法
• 4.3.2 高炉过程瞬态仿真的建模与计算
• 4.4 本章小结
• 第5章 高炉过程的三维建模与仿真
• 5.1 三维模型在高炉过程仿真中的必要性
• 5.2 高炉过程三维稳态模型的控制方程
• 5.3 三维模型中控制方程的转换和离散
• 5.3.1 三维守恒方程的坐标转换
• 5.3.2 通用守恒方程的离散化
• 5.3.3 动量方程的离散化
• 5.4 高炉过程三维稳态模型的计算
• 5.5 仿真结果与讨论
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表