全偏心型贯流式高炉风口流热耦合数值模拟及应力场研究

论文摘要

高炉风口是炼铁送风的重要设备,它的可靠性关系到高炉生产能否保持顺行,直接影响高炉的技术经济指标,所以提高风口使用寿命就显得尤为重要。目前贯流式风口在鞍钢、宝钢等钢铁厂广泛应用,其结构复杂,在高炉内所处的工作环境恶劣。冷却水在风口中的流动状况复杂,难以进行理论计算,但是随着计算流体力学和传热学的发展,以及各种数值算法的出现,使得对风口性能的理论分析变成可能。本文结合鞍钢全偏心型贯流式风口,对风口进行流热耦合三维数值模拟以及应力场的三维数值模拟,研究了给水工艺参数和结构对风口性能的影响,对研究风口性能和提高风口寿命具有重要的理论和实际意义。在此基础上进行了以下深入研究。研究了冷却水在风口中的流速和压力变化以及冷却水流量对风口端部流速和出口压力的影响,确立了合理的给水工艺参数。通过模拟得出了冷却水在风口中的流动轨迹,鞍钢贯流式风口在风口前端往里圈流的水道隔板处的部位形成冷却死区,并通过结构优化消除了冷却死区。对风口端部冷却水道改变成半椭圆形后进行了流热耦合数值分析。对风口端部温度以及风口焊缝位置的应力进行具体研究,研究结果与风口端部易发生熔损和在焊缝位置发生开裂相符,研究了冷却水流速及冷却水水温对风口端部最高温度及风口最大热应力的影响,为全偏心型贯流式风口的设计和改进提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 风口的发展历史及种类
• 1.2.1 风口的发展历史
• 1.2.2 风口的类型及特点
• 1.3 影响风口使用寿命的因素及提高途径
• 1.3.1 影响风口使用寿命的因素
• 1.3.2 提高风口使用寿命的途径
• 1.4 课题研究的主要内容及选题的意义
• 第2章 流热耦合数值模拟的基本理论
• 2.1 全偏心型贯流式风口内冷却水湍流流动的数学描述
• 2.1.1 计算流体力学
• 2.1.2 湍流模型
• 2.1.3 壁函数
• 2.2 风口传热计算的基本理论
• 2.2.1 导热微分方程
• 2.2.2 热传导方程定解条件
• 2.3 流热耦合的基本方程
• 2.4 基本方程的离散化
• 2.4.1 有限体积法
• 2.4.2 有限体积法离散化格式
• 2.5 离散化方程的求解
• 2.5.1 边界条件
• 2.5.2 SIMPLE 算法的计算步骤
• 2.6 本章小结
• 第3章 全偏心型贯流式风口内冷却水流场的数值分析
• 3.1 风口的建模及计算条件
• 3.1.1 风口的建模
• 3.1.2 计算条件
• 3.2 计算结果及分析
• 3.2.1 冷却水在风口中的流速及压力变化
• 3.2.2 冷却水流量对风口端部流速及出口压力的影响
• 3.2.3 不同偏心距对风口各室流速的影响
• 3.2.4 形成冷却死区的部位及改进措施
• 3.3 本章小结
• 第4章 全偏心型贯流式风口流热耦合数值分析
• 4.1 风口导热特性分析及传热系数的确定
• 4.1.1 风口的导热特性分析
• 4.1.2 传热系数的确定
• 4.2 边界条件的确定
• 4.3 全偏心型贯流式风口流热耦合数值模拟
• 4.3.1 实际给水工艺参数条件下风口的温度场
• 4.3.2 冷却水流速对风口端部最高温度的影响
• 4.3.3 冷却水水温对风口端部最高温度的影响
• 4.3.4 风口端部冷却水流道结构改变后流热耦合数值模拟
• 4.4 风口外壁与冷却水之间的总传热系数的影响因素
• 4.4.1 总传热系数的确定
• 4.4.2 各因素对冷却效果的影响程度
• 4.5 本章小结
• 第5章 全偏心型贯流式风口应力场数值分析
• 5.1 风口应力场分析的理论基础
• 5.1.1 热弹塑性分析的假定
• 5.1.2 热弹塑性有限元方法
• 5.2 网格和边界条件
• 5.3 全偏心型贯流式风口应力场数值模拟
• 5.3.1 实际给水工艺参数条件下风口应力场及变形情况
• 5.3.2 冷却水流速对风口应力场的影响
• 5.3.3 冷却水水温对风口应力场的影响
• 5.4 与现场风口比较
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介