高炉回旋区湍流特性研究

论文摘要

钢铁是国民经济和社会发展的基础性原材料。钢铁工业是现代化工业发展中的支柱产业，钢铁工业的发展与高炉炼铁是密不可分的。 高炉回旋区内，焦炭颗粒与气体之间以及气体内部之间发生复杂的化学反应生成一氧化碳等高炉冶炼所需的高温还原剂。煤气流的分布影响到高炉软熔带的形状、大小和位置以及高炉上部炉料的预热、均衡下降，从而影响到高炉的整个冶炼效果。 “高炉专家系统”对高炉内部冶炼状况反映不细致、不形象，无法详细反映高炉回旋区内部物理、化学状态。由于回旋区内物理化学反应过程的复杂性，目前仍没有形成严格的回旋区理论。 “虚拟高炉”能够为高炉操作提供更精确、更详细的高炉内部物理化学状态。本文为推动“虚拟高炉”工程，对高炉冶炼回旋区进行了虚拟技术研究。 通过分析典型的回旋区数学模型，在不考虑物理传热和化学传质的情况下，应用多相流理论中κ—ε湍流模型和颗粒轨道模型，建立了高炉回旋区三维冷态湍流数学模型。应用CFX虚拟软件对数学模型进行了数值分析，并应用CFX的三维可视化数据处理能力，分别对通过高炉风口轴线的回旋区水平截面气体速度、颗粒速度、气体压力等进行了研究分析。为高炉操作者直观了解回旋区内气粒两相流动提供了帮助。 依据相似与模化理论中Re准则，建立了回旋区三维冷态试验模型。以三维激光多普勒分析仪(PDA)测量系统作为实验测试和处理系统，进行了回旋区冷态模型实验。依据Re准则选择了平均粒径分别为30～40μm和400～600μm的玻璃粒子用于模拟空气和焦炭颗粒。应用PDA系统测量了实验模型内粒子在水平截面和竖直截面的速度、浓度和粒径等参数。采用BSA FLOW 2.0软件分析了实测数据。发现了气体、微粒在水平截面内的双湍流涡流分布和在水平截面的涡流中心竖直速度出现梯度变化较大的现象，为研究风口参数与双涡流的关系提供了大量数据。研究分析了粒子在回旋区各个截面内的分布规律以及影响实验测试精度的因素。 分析了焦炭颗粒中挥发分热解挥发过程、水分蒸发过程、碳与氧气等气体的复杂化学反应过程对回旋区的影响，考虑到焦炭颗粒的运动、气体自身之间的化学反应以及流体的湍流特性，建立了高炉回旋区基于颗粒轨道模型的三维热态湍流数学模型，比较全面地反映了高炉回旋区的内在机理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 我国高炉发展现状
• 1.2 国内外高炉系统研究现状
• 1.3 高炉回旋区研究分析
• 1.3.1 高炉回旋区概述
• 1.3.2 高炉回旋区测试实验分析
• 1.3.3 典型回旋区数学模型分析
• 1.4 研究的目的和意义
• 第二章 高炉回旋区冷态湍流数值模拟
• 2.1 回旋区对高炉炼铁影响
• 2.2 高炉回旋区冷态湍流数学模型
• 2.2.1 湍流数学模型理论背景
• 2.2.2 回旋区冷态气流湍流数学模型
• 2.2.3 焦炭颗粒轨道模型
• 2.3 高炉回旋区冷态数值模拟
• 2.3.1 几何建模、网格划分及边界条件
• 2.3.2 数学模型数值求解
• 2.3.3 数值模拟结果分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 高炉回旋区冷态模型实验研究
• 3.1 高炉回旋区冷态实验模型建立
• 3.1.1 高炉回旋区几何空间理论计算
• 3.1.2 相似与模化原则
• 3.1.3 高炉回旋区冷态模型设计
• 3.2 实验系统
• 3.3 高炉回旋区冷态模型实验
• 3.3.1 激光光路及矩阵转换
• 3.3.2 PDA实验结果及分析
• 3.4 回旋区模型实验误差分析
• 3.5 实验结果与数值模拟结果对比分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 高炉回旋区热态湍流数值模拟与实验分析
• 4.1 高炉回旋区热态湍流数学模型
• 4.1.1 焦炭热解挥发过程分析
• 4.1.2 焦炭中水分蒸发过程分析
• 4.1.3 焦炭的化学反应分析
• 4.1.4 焦炭综合反应模型
• 4.1.5 气体湍流流动及气相间化学反应模型
• 4.1.6 焦炭颗粒轨道模型
• 4.2 高炉回旋区热态数值模拟
• 4.2.1 几何建模、网格划分及边界条件
• 4.2.2 数学模型数值求解
• 4.2.3 数值模拟结果分析
• 3高炉风口测温实验'>4.3 1750m³高炉风口测温实验
• 4.4 实验结果与数值模拟结果对比分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 回旋区湍流问题的混沌特性研究
• 5.1 回旋区与高炉基本操作制度分析
• 5.2 Fourier级数基模分析
• 5.3 湍流方程的混沌特性
• 5.3.1 湍流方程的简化分析
• 5.3.2 湍流方程的混沌特性分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 附录 实验数据处理与仪器设备
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文目录
• 学位论文评阅及答辩情况表