CFD技术在冶金中的应用.pdf

2 山西冶金 S HANXI ME T AL LU RGY T o t a l 1 2 3 No ． 1 ， 2 0 1 0 文章编号 1 6 7 2 1 1 5 2 2 0 1 0 0 1 0 0 4 0 0 2 CF D 技术在冶金中的应用 刘爱平童长仁李安国 江西理工大学， 江西赣州3 4 1 0 0 0 摘要 综述了 计算流体力学 C F D 技术在冶金中的应用及发展情况， 介绍了 常用 C F D商业软件的求解过程 和 国内外 CF D技术的一些应用。 关键词 计算流体力学过程模拟数学模型 中图分类号 03 5 1 ．2 文献标识码 A 收稿日期 2 0 0 9 1 2 ～ 0 4 C F D C o mp u t a t i o n a l F l u i d D y n a mi c s 技术 是继 传统实验研究和理论研究之后的一种研究流体及传 热的方法⋯ 1 。计算流体力学研究方法的基本特征是 数值模拟和计算机实验， 它遵从传统的物理定律， 可 以考虑各种反应过程和多维多相体系的存在。应用 计算流体力学的方法可以代替许多实验室研究和实 物研究 ，而且可以完成实验室和实物研究中无法观 测到得现象、 机理和过程。在现代的各种工程领域， 如化工、 冶金 、 环境、 航空、 气象 、 生物工程等几乎所 有行业和生产部门， 都在应用计算流体力学技术完 成研发、 开发、 设计和生产控制等各个环节的任务。 数值模拟技术的开发和应用几乎已经成为衡量企 业 、 集团或一个国家科技实力的重要内容。在 2 O世 纪六、 七十年代， 冶金领域中的数学模型并不被人们 接受，主要原因是那时计算机能力较差并缺乏过程 知 ， 即一些基本的物性值或关系式难于得到， 所 做的数学模型对物理过程做了重大简化和假设， 使得结果与实际相差甚远。直到 2 0 世纪 8 0 年代初 期， 对冶金过程和现象进行数值模拟和分析， 才逐渐 成为冶金过程研究的重要手段。许多经过验证的数 学模型和 C F D软件， 可以十分详细和逼真地描述出 冶金反应器内的过程和现象，可 以定量地给出实际 运行参数和做出评估，为反应器的设计和生产控制 提供依据。 1 常用 C F D商业软件 要实现工业过程的流动、 传热、 燃烧的计算机数 值模拟可以通过使用 C F D商业软件或者自编计算 机程序。 自编计算机程序需要掌握计算机语言、 数学 第一作者简介 刘爱平 1 9 8 5 一 ， 男， 现在江西理工大学 材料与化学工程学 院读硕士研究生 。T e l 1 3 7 0 7 0 2 9 3 4 2 ， E- ma il l a n g ma n c i k e v v s i n a ． c o rn 和专业等多方面的知识，对于大部分从事冶金行业 的科研人员来说这将花费大量的时间和精力。而使 用经过验证的 C F D商业软件， 可使研究员将精力集 中在专业问题层面， 从而节省大量的时间和精力。 目 前世界上有几十种 C F D商业软件， 最常用也最具权 威性的有 C F X 、 P H O E N I C S 、 F L U E N T 等。 采用 C F D商业软件的研究流动、 导热、 燃烧等 问题的基本过程如下。 1 问题分析和模型的选择。问题分析和模型 的选择是模拟的准备阶段。 需要明确流动类型是； 传 热类型、 相数、 化学反应等。 如对于求解的问题， 所用 的商业软件不能直接提供适当的模型，或软件没有 这个模型 ， 就必须 自己增加程序。 2 模型的建立。 定义求解的流动区域， 生成恰 当的网格； 定义边界和确定边界条件， 包括进口、 出 口、 壁面和特殊定义的模块。 3 模型的求解。 完成前处理后， 求解所需的参 数都设置好。根据模拟问题的复杂程度和网格划分 时定义的计算单元的多少与优劣来确定计算时间。 4 计算结果后处理。几乎所有的商业软件都 提供了较好的可视化工具。 通过这些可视化工具， 可 以看到结果有 流动区域的几何形状和网格分布 ； 速 度矢量图； 不同的输出可能性， 如可以输出到文件； 计算结果的动画显示。 5 计算结果分析。对于求解问题的 C F D模 拟，产生了大量数据。为了达到计算机预报的有效 性， 计算的模型一般都采用了合理的流动参数。 这些 参数有的来自文献， 有的通过工业实验测得， 也有的 是通过模拟实验测量得到。 在 C F D软件中， Fl u e n t 是目前国内外使用最多、 最流行的商业软件之一， 其最新版本为 1 2 ．0 。F l u e n t 2 0 1 0 e 第 1 期 刘爱平， 等 C F D技术在冶金中的应用 的软件设计基于 “ C F D计算机软件群的概念”， 针对 每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数 值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最 佳。 其实就是做很多模块， 这样只要判断是哪一种流 场和边界就可以拿已有的模型来计算。 F l u e n t 包括各 种优化物理模型， 如 计算流体流动和热传导模型 l 括自 然对流、 定常和非定常流动， 层流、 湍流、 紊流、 不可压缩和可压缩流动、 周期流、 旋转流及时间相关 流等 ； 辐射模型、 相变模型、 离散相变模型、 多相流模 型及化学组分输运和反应流模型。还建立了污染物 生成模型 ， 包括 N O X和 R O X 烟尘 生成模型。 2 C F D技术在冶金领域的应用 A s a i 和 S z e k e l y 3 ] 在 1 9 7 5年就采用涡量一流函 数法模拟了圆坯结晶器内的流动与凝固过程，他们 使用一方程湍流模型分析湍流特性对流场和传热过 程的影响。T h o m 踮[ ， 等直接采用标准的|i} 一 湍流模 型结合壁面函数模拟湍流场。F l i n t [ ， ]利用商业软件 包 P h o e n i c s 求解流动与传热耦合情况的结晶器过 程。A b o u ta l e b i [ s ] 等求解了流场、 温度场和浓度场同 时耦合的方坯结晶器过程， 分析了其中的流动、 凝固 和偏析现象。 他们使用 L a m B r e n lh o r s t[ 】 提出的低雷 诺数湍流模型分析湍流特性对传输过程的影响。 B e n n o n和 I n c r o p e r a [ ， ] 提出的连续体模型处理其中 的凝固和偏析现象。 N a j j a r 等[ ， ] 和 T e s h im a 等[ ， 分别研究了各种结 晶器参数和水口形状对结晶器内流场的影响，为结 晶器设计提供了依据。 李宝 ．5 ]还研究了从入侵式 水口吹入气体对结晶器内流场的影响，分析了吹气 量与流场分布的关系。在计算方法上， S I M P L E系列 算法是主要采用的方法， 但日本的 s a w a d a [ ， ] 等最近 尝试了大涡模拟法 L E S ， 该法预测出了试验中已 发现的板坯结 晶器内非对称流场。 C r o s s 和 M a r k a t o s E 】 是首先采用两流体模型研 究钢包内流动现象。S z e k e l y t ， 是首先模拟氩气喷吹 钢包 内钢液流动行为的学者 ， 用 N a v i e r S t o k e s 方程 和双方程湍流模型计算流场。 李宝宽等还对若干种制动方式下板坯及薄板坯 结晶器内钢液流场、浓度场和夹杂物运动轨迹做了 模拟研究[ 】 。曲英等[ m ]则研究熔渣下的钢包流场， 但他们是利用水模型内测量的油水界面的速度作为流 场计算的边界条件。 萧泽强、 朱苗勇、 杨天钧等 圳 都开展了钢包精炼过程中流体力学研究的课题。 梅炽， 李欣 “ ]采用 C F X对闪速炉的熔炼过程 进行了数值模拟和优化， 陈卓， 梅炽等进行了铜闪速 炉系统数值熔炼模型及反应塔炉膛内形在线仿真监 测研究[ 】 。 谢锴等人的现代铜闪速熔炼炉发展中若 干理论与操控优化问题研究[ 16 ] 。姚俊峰， 梅炽对人 工智能与混沌理论在铜锍吹炼炉实时仿真与优化决 策中的应用进行了研究『 17 】 。 3 结论 1 C F D技术应用于冶金过程虽然处在初级阶 段， 但已显示出其强大的威力， 用 C F D技术模拟一 些冶金过程可以完成实验室和实物研究中无法观测 到得现象、 机理和过程， 节省了大量用于实验室研究 的财力和精力。 2 由于受计算机硬件运算速度的限制， 采用 C F D技术对冶金过程进行数值模拟 目 前还难以用于 在线优化控制 。 3 随着计算机硬件能力的提升， C F D软件将 更加透明和规范 ， 前 、 后处理的功能将更强 ， 因而模 拟更复杂的三维耦合问题和非稳态问题以及直接用 于在线优化控制将成为可能。 参考文献 [ 1 ] 肖刚， 张世俊， 敬忠良，等． 数据可视化技术及其在过程冶金中 的 C F D 应用 [ J ] ． 计算机工程与应用， 2 0 0 3 ， 2 4 2 2 1 2 2 4 ． [ 2 ] 萧泽强， 朱苗勇． 冶金过程数值模拟分析技术的应用 [ M] ． 北 京冶金工业出版社， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 李宝宽． 炼钢中的计算流体力学 [ M] ． 北京 冶金工业出版社， 1 9 9 8 ． [ 4 ] 张炯明， 赫冀成， 李宝宽． 吹人气体对连铸结晶器流体流动的 影响 [ J ] ．金属学报， 1 9 9 5 ， 3 1 6 2 6 9 2 7 4 ． [ 5 ] 雷方， 赫冀成， 李宝宽． 连铸机结晶器内钢液流动与传热过程 的计算 [ J ] ． 东北大学学报， 1 9 9 4 ， 1 5 4 4 0 8 - 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g u o J i a n g x i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，G a n z h o u 3 4 1 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e a p p l i c a t i o n a n d d e v e l o p me n t o f c o mp u t a t i o n a l fl u i d d y n a mi c s t e c h n o l o gy w e r e d e s c r i b e d i n t h e me t a l l u r gy ． T h e s o l u ti o n p r o c e s s o f c o mmo n l y u s e d C F D c o mme r c i a l s o f t w u e ． a s we l l a s t h e a p p l i c a t i o n o f C F D t e c h n o l o gy a t h o me an d a b r o a d W as a l s o i n t r o d u c e d ． Ke y wo r d s c o mp u tat i o n a l fl u i d d y n a mi c s ， p r o c e s s s i mu l a ti o n， ma t h e ma ti c al mo d e l s