硅包氧化精炼过程气液两相流动行为的分析与优化

发布时间：2017-09-14 12:36

  本文关键词：硅包氧化精炼过程气液两相流动行为的分析与优化

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【摘要】：随着工业硅生产中精炼新技术的发展,硅冶金过程的各种流体流动现象需要进一步深入研究。但冶金工业的高温环境使得直接测量存在很大困难,难以获得足够可靠的流场信息和数据,计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)技术为深入研究冶金过程中流体流动现象提供了一种新的方法和可能。本论文主要针对云南某工业硅生产企业,以一台16500 kw矿热炉的炉外精炼硅包为研究对象,对硅包炉外精炼过程中复杂的气液两相流行为开展研究,主要采用计算流体力学模拟仿真以及水模型实验进行了以下研究工作：首先应用VOF (Volume-of-Fluid)多相流模型,综合考虑了两相表面张力和壁面函数的影响,利用RNG k-ε双方程模型和Geo-Reconstruct几何重构法实现了两相界面上的非稳态流动,对单个气泡在水中的运动情况进行三维模拟,对气泡在上升过程中的长大、上浮及破裂等行为、自由表面的波动情况进行研究,研究结果表明所建立的数学模型具有一定的合理性。建立等比例的炉外精炼硅包数学模型,将以上所用到的计算模型及计算方法用到对硅水的搅拌,对其三维瞬态数值模拟。研究硅包内不同截面气泡主要参数、气体体积分数分布规律、硅包内液体流动情况以及自由液面波动情况,为硅包的结构优化设计以及工业硅炉外精炼的工艺结构优化提供了基础数据与依据。依据相似原理,按照1：3的相似比设计制作硅包水模型实验装置,采用有机玻璃代替耐火材料来模拟硅包内流体原型,对以上模拟结果进行实验验证和对硅包进行初步优化设计。利用观察法和照相法来获取气泡的形成过程、运动规律及其分布情况,并利用片光源进一步获取熔池内部的流场信息。主要了研究液面高度、底吹流量、进口位置分布对混匀时间的影响,分析得出在底吹实验中的最佳优化方案为：在底部进气分布方式为11孔进气方案,底吹流量为1.2Nm3·h-1,液面高度为414mm时,硅包模型的混匀效果最好,可为实际生产提供指导或进一步研究提供参考。优化后的11孔进气方案能够改善模型内的流场,减小流场内死区的比例,并能使气泡更加均匀的分布在硅包中。
【关键词】：硅包 气泡 VOF 底吹 水模型
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.12
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-28
• 1.1 课题研究背景及其发展状况12-13
• 1.2 工业硅生产及应用13-17
• 1.2.1 工业硅生产14-15
• 1.2.2 在化学工业的应用15-16
• 1.2.3 在电子行业中的应用16
• 1.2.4 在冶金行业中的应用16-17
• 1.3 工业硅炉外精炼工艺研究现状17-21
• 1.3.1 工业硅炉外精炼简介17-19
• 1.3.2 工业硅炉外氧化精炼工艺现状19-21
• 1.4 气液两相流数值模拟研究现状21-26
• 1.4.1 CFD技术及其在冶金行业的应用21-24
• 1.4.2 气液两相流数值模拟24-26
• 1.5 本论文的工作内容、目的及意义26-28
• 1.5.1 本论文的工作内容26-27
• 1.5.2 本论文工作的目的及意义27-28
• 第二章 工业硅炉外精炼硅包数学模型的建立28-40
• 2.1 物理模型28-29
• 2.2 物理模型建立的依据29-32
• 2.2.1 几何相似29-31
• 2.2.2 运动与动力相似31-32
• 2.3 多相流模型32-35
• 2.3.1 多相流分类32-33
• 2.3.2 VOF模型33-34
• 2.3.3 界面通量的求法34-35
• 2.4 数学模型的建立35-39
• 2.4.1 数值模拟对象及网格划分35-37
• 2.4.2 边界条件设置37
• 2.4.3 计算模型和求解器的选择37-39
• 2.5 小结39-40
• 第三章 硅包内水中气泡数值模拟及实验对比40-50
• 3.1 单个气泡的模拟分析40-43
• 3.2 连续气体进口的模拟分析43-46
• 3.3 硅包连续气体进口实验对比46-48
• 3.4 小结48-50
• 第四章 硅包内三维数值模拟及其分析50-60
• 4.1 三维硅包内流体动力分析50-54
• 4.1.1 三维硅包内纵截面流体动力分析50-51
• 4.1.2 三维硅包内横截面流体动力分析51-54
• 4.2 三维硅包内气体含量分析54-56
• 4.3 三维硅包内的压力分布56-57
• 4.4 三维硅包内温度场初步分析57-59
• 4.5 小结59-60
• 第五章 硅包三维水模型的实验及数据分析60-74
• 5.1 实验原理及实验装置60-63
• 5.1.1 实验原理60-61
• 5.1.2 实验装置61-63
• 5.2 无底吹实验对照组63-64
• 5.3 液面高度对混匀时间的影响及数据处理64-65
• 5.4 底吹流量对混匀时间的影响及数据处理65-67
• 5.5 进口位置分布对混匀时间及流场的影响及数据处理67-70
• 5.6 优化前后流场对比分析70-72
• 5.7 小结72-74
• 第六章 结论与展望74-76
• 6.1 结论74
• 6.2 展望74-76
• 致谢76-78
• 参考文献78-84
• 附录84

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本文编号：850064