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基于Tikhonov正则化方法的连铸二冷过程导热反问题计算方法研究

发布时间:2020-08-08 14:30
【摘要】:连续铸造过程包括钢包传运装置、中间包、结晶器、结晶器振动装置、引锭杆、二次冷却装置、拉坯矫直装置、切割装置等,与传统模铸方法相比,具有工艺流程短、大幅提高金属收得率更高和铸坯质量更好、节能降耗、易于实现机械自动化等显著优势。随着生产生活中对钢材品质要求越来越高,连铸二冷工艺是提高钢材品质的一个高效节约的切入点。钢坯的表面换热系数、温度场分布是优化二冷过程中喷嘴工作参数、钢坯拉速等的重要参数依据。由于铸坯表面高温、剧烈震动、温度梯度大,直接确定其温度或表面热流密度(换热系数)是困难的,反问题求解方法为该问题带来新的求解思路。以钢坯内数个可测量的测温点温度作为输入条件,通过求解反问题可得出所需的表面换热系数和温度场分布。本论文的主要工作及结论包括以下几个方面:介绍了导热反问题的工业背景和研究现状,经过分析计算和合理简化,描述了效连铸气雾射流动态传热实验平台的物理模型和数学模型,将其定性为周期性跃阶突变边界条件导热反问题,分析了Tikhonov正则化方法法应用于本文问题的优势。运用Tikhonov正则化方法,处理了与实验问题类似的数值算例,验证了反演网格的无关性,讨论了测量点位置、时间步长、镇定函数形式和随机误差大小对计算精度的影响。结果表明,可测量点位置距离待反演参数所在表面距离越近,计算结果越精确,受测量误差影响越大;时间步长越长,计算结果稳定性越好,追踪待反演参数的能力越差;使用Tikhonov正则化方法求解导热反问题时,稳定泛函数形式应选取为对正则化系数敏感的形式。对于Tikhonov正则化方法考虑计算结果的精确性与稳定性,提出‘斜率法’以选取正则化系数。利用数值仿真实验验证了本文提出的热物理模型,讨论了测量误差不可避免时正则化系数对计算精度的影响。将本方法应用在实验数据中,计算结果与预期相符合。结果表明,该方法很好的平衡了解的精确性与稳定性,可以有效解决导热反问题的不适定性问题。结合Tkihonov正则化后处理结果对实验数据进行分析,将连铸二冷过程基于空间划分为气雾射流区、平行流区和空气冷却-辐射换热区;基于时间划分为膜态沸腾、过渡沸腾和核态沸腾时段。对连铸二冷铸坯温降过程有了更加直观的认识,给连铸过程中的冷却特性提供了理论支持。
【学位授予单位】:内蒙古科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TF777
【图文】:

高效连铸,铸坯,实验平台,射流


内蒙古科技大学硕士学位论文-9-2连铸二冷过程的导热正问题2.1高效连铸气雾射流动态传热实验平台如图2.1为课题组现有的高效连铸气雾射流动态传热实验平台:图2.1高效连铸气雾射流动态传热实验平台该试验台用可转动的空心圆柱体铸坯模拟自结晶器拉出的钢胚在支撑辊的带动下依次经过数个喷嘴的二次冷却过程。铸坯内部有一组三根共三组硅碳棒可对其加热至1200℃以使铸坯达到二冷初始温度。铸坯某点依次经历气气雾射流冷却、冷却水漫流冷却、空气冷却-辐射换热三个过程,较为真实地模拟连铸生产过程中二冷区热铸坯表面运动的周期性热边界。铸坯正上方为一支被固定的气雾喷嘴,气体由空压机提供,经储气罐稳压接入喷嘴。冷却水由水泵从水池抽出,经喷嘴内混合腔与气体混合后喷出,实验台采用宽厚板连铸广泛使用的扁平气雾喷嘴(NCJ第五代扁平型喷嘴)。2.2实验平台的物理模型数值模拟过程只关注实验台铸坯部分,即如图2.2所示。

过程图,边界条件,过程,硕士学位


正算过程边界条件有如下结果

平面图,三维图,表面温度,变化图


内蒙古科技大学硕士学位论文-18-(c)图2.7各测点处温度随时间变化图(a)三维图(b)平面图(c)表面温度图设置距离观测界面外边界2mm处的沿圆周方向均匀分布的24个测点位置作为后续反演过程的输入条件。有正问题得出的各个测点位置处的温度随时间变化趋势如图2.7。可知其温度分布随时间推移呈周期规律下降,其周期性与边界条件的周期性吻合。2.4网格划分及无关性验证表征网格几何品质的因数有光顺行、正交性、节点分布特性。正交性指网格两相邻边界所成角度是否接近90°,光顺行指网格的几何参数在全场内的变化速率,节点分布特性指节点在求解区域内的分布、疏密变化应当与被求解变量的梯度变化相适应。极坐标下划分四边形网格正交性天然最优。考虑光顺行和节点分布特性,在铸坯半径方向采用均匀分布法[53]划分非等距网格。均匀分布法与弹簧比拟法、变分法一样,同属建立自适应网格的r型方法,具有计算简单的优点和不能保证正交性的缺点。它是指任意两网格节点间的距离同某个选定的权函数W()之积在该方向上保持为常数,即:()iiWxconst(2.16)导热问题计算过程中,选取半径方向的温度梯度为权函数max00()/rWrTT(2.17)图2.8为15层等距网格与15、30层均匀分布法网格的一维对比图

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本文编号:2785692


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