基于计算流体力学的高炉建模及仿真

论文摘要

高炉炼铁过程是冶金工业不可缺少的环节。高炉炼铁过程包括多种同时发生的物理变化和化学反应,并且高炉内部多种多相物质共存且相互作用,因此高炉被称为是化工领域最复杂的反应器之一。高炉内部现象的研究对控制和优化高炉工艺过程具有重要的意义,也引起了众多学者的关注。但是随着高炉规模的扩大,高炉内部的动态特性越来越难以掌握。现存的模型中仍存在一些问题。例如,缺乏分析高炉过程的有效工具,提供的信息较少,缺乏预测性能,无法全面直观的反映高炉内部的动态情况等。因此,更多的努力用于开发高炉数学模型来提高对高炉过程的了解。本文应用计算流体力学理论解析高炉炼铁过程,采用一系列的微分方程来描述动量、能量守恒及传质过程,充分考虑了高炉内部的物理和化学变化,提出了高炉炼铁复杂过程整体建模框架。确定高炉及死区的边界条件,稳态过程守恒方程中流量、扩散系数等项的插值方法,利用控制体积法离散微分方程,利用TDMA法迭代求解微分方程,并对数据进行了可视化处理。建立出高炉二维动态模型,对炉内主要现象进行多维数学模拟解析。分析了高炉内部气相流和固相流的运动和传热情况。仿真结果表明此模型可以较精确地预测出高炉内部复杂的运动过程及固相气相流体的温度分布。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文选题的背景、目的和意义
• 1.2 课题的研究状况
• 1.2.1 高炉的实验研究
• 1.2.2 国内外高炉模型的研究进展
• 1.2.3 高炉过程仿真中存在的难题
• 1.3 本课题的主要研究内容及方法
• 第二章 高炉过程的建模理论
• 2.1 高炉工艺过程
• 2.2 高炉过程的基本方程
• 2.3 矿石的还原反应模型
• 2.3.1 一界面未反应核模型
• 2.3.2 二界面未反应核模型
• 2.3.3 三界面未反应核模型
• 2.4 化学反应模型的实现
• 2.5 本章小结
• 第三章 高炉过程的多相态数学模型
• 3.1 高炉过程多相流描述
• 3.2 相态间的动量传递
• 3.3 相态间的热传递
• 3.4 相态间的质量传递及化学反应描述
• 3.5 本章小结
• 第四章 高炉模型的数值求解
• 4.1 高炉过程的有限体积法求解
• 4.2 生成计算网格
• 4.3 守恒方程的离散
• 4.3.1 源项的推导
• 4.3.2 不稳定项的推导
• 4.3.3 对流项和扩散项的推导
• 4.3.4 二维离散方程的最终形式
• 4.4 离散方程的求解
• 4.4.1 TDMA算法
• 4.4.2 流场的求解
• 4.5 本章小结
• 第五章 高炉过程的仿真
• 5.1 化学反应相关
• 5.1.1 三界面反应还原率
• 5.1.2 氢气还原率的分布
• 5.1.3 H2与H20,CO与CO2的平衡
• 5.2 速度矢量的仿真
• 5.2.1 气态速度矢量仿真
• 5.2.2 固态速度矢量仿真
• 5.3 温度分布的仿真
• 5.3.1 气态温度分布
• 5.3.2 固态温度分布
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书