【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 究的意義與內(nèi)容 課題研究的意義 干熄焦技術(shù)具有節(jié)能環(huán)保、提高焦炭質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外都有非常廣泛的應(yīng)用。我國(guó)的干熄焦技術(shù)起步比較晚，雖然近些年有了很大的進(jìn)步，但是與日本、 德國(guó)等擁有先進(jìn)的干熄焦技術(shù)國(guó)家還有一定的差距，因此加大對(duì)干熄焦技術(shù)的研究對(duì)我國(guó)鋼鐵事業(yè)的發(fā)展有重大的意義。 干熄焦斜道區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，爐內(nèi)工作條件變化大，焦炭和循環(huán)氣體的沖刷、斜道區(qū)內(nèi)存在的較大溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力、有害物質(zhì)的化學(xué)侵蝕等諸多因素都影響著干熄焦?fàn)t內(nèi)耐武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 5 火材料的使用壽命。而現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行換熱實(shí)驗(yàn)研究成本較高，對(duì)干熄焦?fàn)t內(nèi)固 氣流動(dòng)和換熱的進(jìn)行仿真模擬，可以降低實(shí)驗(yàn)成本。同時(shí)，對(duì)干熄焦?fàn)t內(nèi)固 氣流動(dòng)和換熱的仿真模擬的研究，已經(jīng)體現(xiàn)出了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可行性。因此，數(shù)值模擬作為一種新的研究方法必將得到進(jìn) 一步的發(fā)展。 課題研究的內(nèi)容 本文以某鋼廠 140t/h 干熄焦裝置為研究對(duì)象，建立干熄焦?fàn)t內(nèi)循環(huán)氣體和焦炭顆粒間流動(dòng)和傳熱的物理數(shù)學(xué)模型，利用前處理軟件 ICEM 對(duì)干熄爐模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分?；?FLUENT 中的多孔介質(zhì)模型模擬干熄焦?fàn)t內(nèi)固 氣流動(dòng)情況，采用 UDS 和 UDF 將FLUENT 中的單能量方程改寫(xiě)為雙能量方程，模擬循環(huán)氣體和焦炭換熱情況。 根據(jù)模擬結(jié)果，分析氣體和焦炭在干熄焦?fàn)t內(nèi)的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布規(guī)律，為干熄焦?fàn)t的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)氣體入口速度和入口風(fēng)溫 ，觀察氣體出口溫度和焦炭出口溫度的變化情況，分析各種工作參數(shù)對(duì)固 氣流動(dòng)和傳熱的影響，得到最佳工作參數(shù)，優(yōu)化生產(chǎn)工藝。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 6 2 研究方法 CFD FLUENT軟件介紹 Computational Fluid Dynamics，即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) , 簡(jiǎn)稱 CFD。 CFD 是近代流體力學(xué)，數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，是一門具有強(qiáng)大生命力的邊緣科學(xué)。它以電子計(jì)算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對(duì)流體力學(xué)的各類問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和分析研究 ，以解決各種實(shí)際問(wèn)題。 FLUENT 是目前比較流行的 CFD 軟件包，用來(lái)模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)絡(luò)加速收斂技術(shù)， FLUENT 能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。 FLUENT 求解的思路和步驟是根據(jù)實(shí)際情況抽象并建立物理模型，然后選擇求解模型，設(shè)置邊界條件和初始條件，設(shè)置迭代和控制參數(shù)并進(jìn)行計(jì)算，最后進(jìn)行后處理和分析，或者根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果重新調(diào)整參數(shù)進(jìn)行計(jì)算直至得到可接受的結(jié)果。 干熄焦?fàn)t內(nèi)的焦炭有形狀大小不一、空隙數(shù)量巨大和孔徑較小的特點(diǎn)，因此，循環(huán)氣體與焦炭之 間的流動(dòng)和換熱可以看作是循環(huán)氣體在焦炭顆粒組成的多孔介質(zhì)間的流動(dòng)和換熱。 FLUENT 軟件中的多孔介質(zhì)模型能較準(zhǔn)確地模擬干熄焦內(nèi)固 氣流動(dòng)及傳熱的規(guī)律。 FLUENT軟件的二次開(kāi)發(fā) FLUENT 軟件的多孔介質(zhì)模型采用的單能量方程，而干熄焦?fàn)t內(nèi)焦炭和冷卻氣體的溫度恒不相等，必須采用非局域熱平衡的雙能量方程來(lái)研究?jī)烧唛g的換熱，因此需要借助 UDS 和 UDF 對(duì) FLUENT 軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。 首先，通過(guò) UDS 分別定義焦炭和循環(huán)氣體的溫度，采用雙能量方程處理冷卻氣體與焦炭之間的換熱，利用 UDF 分別編寫(xiě)焦炭 和氣體能量方程中的源項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)，然后導(dǎo)入 FLUENT 軟件中進(jìn)行編譯，將多孔介質(zhì)中的單能量方程開(kāi)發(fā)成雙能量方程。 UDS 中的 DEFINE_DIFFUSIVITY 宏函數(shù)可以定義焦炭和惰性氣體能量方程中的擴(kuò)散系數(shù)。具體程序代碼如下所示，其中 solid_diffusivity 表示焦炭的擴(kuò)散系數(shù)，solid_diffusivity 表示氣體的擴(kuò)散系數(shù)。 DEFINE_DIFFUSIVITY(solid_diffusivity, c, t, i) { real phi=。 /焦炭 孔隙率 / real ks= 。 /焦炭導(dǎo)熱系數(shù) / real cs=960 。 /焦炭比熱 / 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 7 real diff_solid。 diff_solid=(1phi)*ks。 /根據(jù)公式求出擴(kuò)散系數(shù) / return diff_solid。 /返回?cái)U(kuò)散系數(shù) / } DEFINE_DIFFUSIVITY(solid_diffusivity, c, t, i) { real phi=。 /惰性氣體孔隙率 / real ks= 。 /惰性氣體導(dǎo)熱系數(shù) / real cf= 。 /惰性氣體比熱 / real diff_fluid。 diff_solid=(1phi)*ks。 /根據(jù)公式求出擴(kuò)散系數(shù) / return diff_solid。 /返回?cái)U(kuò)散系數(shù) / } UDS 中的宏函數(shù) DEFINE_UDS_FLUX 可以定義焦炭和氣體能量方程中的對(duì)流項(xiàng)。具體程序代碼如下所示，其中 solid_flux 表示焦炭對(duì)流項(xiàng)， fluid_flux 表示氣體對(duì)流項(xiàng)。 DEFINE_UDS_FLUX(solid_flux, f, t, i) { cell_t c0, c1 = 1。 Thread *t0, *t1 = NULL。 real NV_VEC(psi_vec), NV_VEC(A), flux = 。 real dens。 c0 = F_C0(f,t)。 t0 = F_C0_THREAD(f,t)。 F_AREA(A, f, t)。 /* If face lies at domain boundary, use face values。 */ /* If face lies IN the domain, use average of adjacent cells. */ if (BOUNDARY_FACE_THREAD_P(t)) /*Most face values will be available*/ { /* Depending on its BC, density may not be set on face thread*/ if (NNULLP(THREAD_STORAGE(t,SV_DENSITY))) dens = F_R(f,t)。 /* Set dens to face value if available */ else dens = C_R(c0,t0)。 /* else, set dens to cell value */ dens=。 NV_DS(psi_vec, =, 0,0, *, dens)。 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 8 // Message(dens= %f\n,dens) 。 flux = NV_DOT(psi_vec, A)。 /* flux through Face */ } else { c1 = F_C1(f,t)。 /* Get cell on other side of face */ t1 = F_C1_THREAD(f,t)。 dens=。 NV_DS(psi_vec, =, 0,0,*,dens)。 NV_DS(psi_vec, +=, 0,0,*,dens)。 flux = NV_DOT(psi_vec, A)/。 /* Average flux through face */ } return flux。 } DEFINE_UDS_FLUX(fluid_flux, f, t, i) { cell_t c0, c1 = 1。 Thread *t0, *t1 = NULL。 real NV_VEC(psi_vec), NV_VEC(A), flux = 。 c0 = F_C0(f,t)。 t0 = F_C0_THREAD(f,t)。 F_AREA(A, f, t)。 /* If face lies at domain boundary, use face values。 */ /* If face lies IN the domain, use average of adjacent cells. */ If(BOUNDARY_FACE_THREAD_P(t))/*Most face values will be available*/ { real dens。 /* Depending on its BC, density may not be set on face thread*/ if (NNULLP(THREAD_STORAGE(t,SV_DENSITY))) dens = F_R(f,t)。 /* Set dens to face value if available */ else dens = C_R(c0,t0)。 /* else, set dens to cell value */ NV_DS(psi_vec, =, F_U(f,t), F_V(f,t), F_W(f,t), *, dens)。 flux = NV_DOT(psi_vec, A)。 /* flux through Face */ 武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 9 } Else { c1 = F_C1(f,t)。 /* Get cell on other side of face */ t1 = F_C1_THREAD(f,t)。 NV_DS(psi_vec, =, C_U(c0,t0),C_V(c0,t0),C_W(c0,t0),*,C_R(c0,t0))。 NV_DS(psi_vec, +=, C_U(c1,t1),C_V(c1,t1),C_W(c1,t1),*,C_R(c1,t1))。 flux = NV_DOT(psi_vec, A)/。 /* Average flux through face */ } return flux。 } UDS 中的 DEFINE_SOURCE 宏函數(shù)可以定義焦炭和惰性氣體能量方程中的源項(xiàng)。具體程序代碼如下所示，其中 solid_soure 表示焦炭的源項(xiàng)， gas_source 表示氣體的源項(xiàng)。 DEFINE_SOURCE(gas_source, c, t, dS, eqn) { real S_fluid。 real hv=1392。 real cf=。