[发明专利]基于CFD-DEM耦合模型的高炉回旋区气固流动稳定性分析方法

说明书

本发明涉及一种基于CFD‑DEM耦合模型的高炉回旋区气固流动稳定性分析方法，包括：利用三维建模软件建立回旋区几何模型，设定回旋区几何模型的尺寸参数，并设定基本求解参数；根据计算流体动力学的方法建立传输过程中的流体相控制方程；根据离散单元法建立固体相控制方程；根据离散单元法计算回旋区几何模型的网格中的孔隙率以及颗粒‑流体相互作用力，结合离散单元法以及计算流体动力学的方法，以确定下一时间步长的单个颗粒的位置以及速度信息，并按照上述步骤循环直至达到预设仿真时间以形成动态平衡的回旋区。本发明中，通过选择不同鼓风速度以及床宽进行计算，对比气固流动效果，以对实际回旋区形貌等优化控制提供理论依据。

技术领域

本发明涉及计算机数值模拟技术领域，特别涉及一种基于CFD-DEM耦合模型的高炉回旋区气固流动稳定性分析方法。

背景技术

现代高炉是一个高温高压反应器，涉及气、粉、液、固四相的逆向、同向以及交叉向流动，伴随复杂的热量与质量传输化学反应，以及强烈的相间作用。在高炉内部，根据物料的状态与流动性质，由上至下的物理区域可分为块状带、软熔带、滴落带、死料柱、风口回旋区以及炉缸区。

在上述区域中，位于高炉下部的风口回旋区尤为重要，该区域是整个高炉热量和还原气体产生的源头，是高炉稳定操作不可缺少的重要反应区。高炉风口前缘形成风口回旋区的机理一直为炼铁工作者所重视，并且进行了多方面的细致研究，形成了众多关于风口回旋区的形成方式、形状特征以及传热、传质等理论和数学模型。但由于风口回旋区内高温、高压的物理条件和三相并存的复杂化学反应过程导致问题的复杂性。目前，并未形成统一的风口回旋区理论，因此对于风口回旋区特征的变化规律尚未真正掌握。

可以理解的，掌握风口回旋区的气固流动模式以及微观力学特性，对于准确理解高炉风口回旋区的形成、大小及形状特性，以及对掌握风口回旋区内的物理化学过程的机理，回旋区内温度、速度及气体组分的分布情况等参数，进而保证高炉冶炼顺行以及稳定操作具有重要意义。

为了能够可靠准确地描述风口回旋区多相物质流动和热化学行为，以能在不同的原料、粉煤喷吹和操作条件下制定最优风口回旋区形貌等优化控制策略。基于此，有必要建立一种回旋区气固流动稳定性分析方法。

发明内容

基于此，本发明的目的在于提供了一种回旋区气固流动稳定性分析方法，以在不同的原料、粉煤喷吹和操作条件下制定最优风口回旋区形貌等优化控制策略。

本发明提出一种基于CFD-DEM耦合模型的高炉回旋区气固流动稳定性分析方法，其中，所述方法包括如下步骤：

步骤一：

利用三维建模软件建立回旋区几何模型，设定所述回旋区几何模型的尺寸参数，采用结构化方法对所述回旋区几何模型进行网格划分，并设定基本求解参数，所述基本求解参数至少包括：入口气体速度、气体密度、颗粒密度、颗粒直径、床层颗粒总保持数以及时间步长；

步骤二：

根据计算流体动力学的方法建立传输过程中的流体相控制方程，其中所述流体相控制方程包括连续性方程以及动量方程；

步骤三：

根据离散单元法建立固体相控制方程，其中所述固体相控制方程包括颗粒运动控制方程；

步骤四：

通过离散单元法生成预设数目的颗粒的初始床层，在回旋区上方以第一预设速率的排料速率排出颗粒，同时初始床层上方进料维持相同速率，以保证初始床层高度不变；根据离散单元法计算回旋区几何模型的网格中的孔隙率以及颗粒-流体相互作用力；

根据所述孔隙率以及所述颗粒-流体相互作用力，结合所述离散单元法以及所述计算流体动力学的方法，以确定下一时间步长的单个颗粒的位置以及速度信息，并按照上述步骤循环直至达到预设仿真时间以形成动态平衡的回旋区。