KR预处理脱硫铁水流场数学模型及数值模拟研究

发布时间：2020-10-13 22:30

　　 KR预处理脱硫工艺具有优良的动力学条件并且在国内外应用较为广泛,有利于低硫钢种的生产,对于该工艺条件下铁水流场的研究可以了解铁水流动的规律,为改善铁水的流动状态及铁水的搅拌混合效果提供一定的理论指导。本文建立了铁水单相流、空气-铁水两相流的数学模型,并且对不同数学模型的铁水流场预测结果进行比较分析,确定了铁水单相流、空气-铁水两相流较为适宜的数学模型,并利用该模型对流场进行了数值模拟研究,最后建立了KR预处理脱硫空气-脱硫剂-铁水三相流数学模型,分析研究了脱硫剂在铁水中的扩散混合行为。①对KR预处理脱硫铁水单相流数学模型进行了研究,确定数学模型较为适宜的湍流模型为标准k??湍流模型,控制方程的离散格式为QUICK,并且适宜的离散方程求解方式为SIMPLE;铁水单相流数学模型捕捉到了铁水环流区、尾涡及死区位置,说明该铁水单相流数学模型具有较好的适用性,而在确定较优的搅拌器控制参数时存在单相流存在一定局限性。②对KR预处理脱硫液面空气-铁水两相流的数学模型进行了研究,数值模拟结果表明:VOF模型预测的液面更为稳定,而欧拉模型可同时模拟液面空气在铁水中的扩散。并且利用水模实验对比说明VOF模型对铁水液面行为的预测具有较好准确性。③采用VOF模型对铁水罐内流体的运动进行数值模拟可知涡面存在四个不同速度区域,涡面中心高速区面积随搅拌器速度增大而增加并且涡面整体速度增加,搅拌器浸入深度增加可涡面中心高速区的面积,但涡面整体速度降低。卷气现象一般发生在涡面底部,并沿搅拌器壁面外侧壁面扩展。④液面空气-铁水两相流条件下铁水内部流场的分布规律与单相流预测结果基本一致,由于气-液界面的作用,铁水在液面附近存在一个高湍动能区,在本文研究的搅拌器转速及浸入深度范围内确定较为适宜的转速为120rpm,浸入深度为1200mm。⑤建立了KR预处理脱硫空气-脱硫剂-铁水三相流的数学模型,数值模拟结果表明:脱硫剂颗粒在搅拌轴附近铁水区域含量较高,在搅拌器桨叶正下方的铁水区域脱硫剂扩散较为缓慢。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TF703
【文章目录】：
摘要
英文摘要
1 绪论
    1.1 问题的提出
    1.2 KR 预处理脱硫工艺流程及铁水脱硫原理
        1.2.1 KR 预处理脱硫工艺流程
        1.2.2 KR 预处理铁水脱硫原理
    1.3 KR预处理脱硫铁水流场研究现状
        1.3.1 铁水流场物理模拟研究现状
        1.3.2 铁水流场数值模拟研究现状
    1.4 搅拌流场及湍流的数值模拟方法
        1.4.1 搅拌流场的数值模拟方法
        1.4.2 湍流的数值模拟方法
    1.5 研究内容
2 KR 铁水预处理铁水流场数值模拟的理论基础
    2.1 单相流基本控制方程
    2.2 多相流模型控制方程
        2.2.1 VOF模型
        2.2.2 欧拉模型
3 基于单相流铁水流场的数学模型及数值模拟
    3.1 铁水区域几何建模及网格划分
        3.1.1 铁水区域几何建模
        3.1.2 网格划分
    3.2 铁水单相流场数学模型的建立及求解方法
        3.2.1 连续性方程及动量方程
        3.2.2 湍流模型
        3.2.3 离散格式
        3.2.4 离散方程求解方式
        3.2.5 边界条件及模拟策略
    3.3 数值模拟结果讨论及分析
        3.3.1 不同湍流模型对铁水流场的影响
        3.3.2 不同离散格式对铁水流场的影响
        3.3.3 不同离散方程求解方式对铁水流场的影响
    3.4 KR铁水预处理脱硫单相流场模拟结果分析
        3.4.1 KR铁水预处理脱硫单相流场
        3.4.2 搅拌器相关参数对流场的影响
    3.5 KR铁水预处理脱硫单相模拟的局限性
    3.6 本章小结
4 基于气液两相铁水流场的数学模型及数值模拟
    4.1 空气-铁水两相流数学模型的建立及求解方法
        4.1.1 连续性方程及动量方程
        4.1.2 湍流模型
        4.1.3 控制方程的数值解法
        4.1.4 边界条件及模拟策略
    4.2 数值模拟结果讨论
        4.2.1 不同模型条件下铁水流动的速度和湍动能
        4.2.2 不同模型条件下铁水流动的涡面
    4.3 KR铁水流场物理模拟研究
        4.3.1 模拟实验结果分析
        4.3.2 数值模拟模型验证
    4.4 KR铁水预处理脱硫两相流场数值模拟结果分析
        4.4.1 铁水涡面特征分析及卷气行为
        4.4.2 涡面作用下铁水流动规律
    4.5 本章小结
5 基于气液固三相流脱硫剂扩散混合过程数学模型
    5.1 空气、脱硫剂与铁水三相流数学模型的建立及求解方法
        5.1.1 连续性方程及动量方程
        5.1.2 湍流模型
        5.1.3 控制方程数值解法
        5.1.4 边界条件
    5.2 模拟结果分析
    5.3 本章小结
6 结论
致谢
参考文献
附录: 作者在攻读学位期间发表的论文目录

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本文编号：2839778