一種基于Fluent軟件對(duì)底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種基于Fluent軟件對(duì)底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，包括如下步驟：根據(jù)底吹爐設(shè)計(jì)圖紙，確定爐子的基本尺寸、煙道口的位置和尺寸、噴槍位置、個(gè)數(shù)及尺寸，利用ANSYS建立實(shí)體模型；通過(guò)GAMBIT或T Gird對(duì)底吹爐模型劃分網(wǎng)格；采用CFX?Pre設(shè)置模型出入口，并輸出def格式文件；Fluent讀取def文件，再設(shè)置相關(guān)計(jì)算參數(shù)并開(kāi)始模擬計(jì)算；將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Tecplot后處理，輸出更為直觀(guān)圖形結(jié)果；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，變更模型參數(shù)，重復(fù)上述計(jì)算步驟，直至得到最優(yōu)參數(shù)條件組合。本發(fā)明通過(guò)利用數(shù)值模擬方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)底吹爐結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，為底吹爐工業(yè)生產(chǎn)提供了優(yōu)化指導(dǎo)，降低了因經(jīng)驗(yàn)化調(diào)整底吹爐參數(shù)造成的損失。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種基于FI uent軟件對(duì)底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及到冶金行業(yè)中底吹爐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，具體是利用fluent軟件對(duì) 底吹爐進(jìn)行仿真模擬并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 底吹爐在冶煉行業(yè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，主要應(yīng)用在煉鉛、煉銅之中。底吹爐的外形 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、噴槍的排列分布設(shè)計(jì)、煙道口設(shè)計(jì)、下料口設(shè)計(jì)、熔池深度都是影響冶煉效果的 關(guān)鍵因素。因此，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)好底吹爐的關(guān)鍵參數(shù)是提高冶煉效率和改善底吹爐工藝的重要 的研究方向。
[0003] 在冶煉過(guò)程中，一旦底吹爐進(jìn)入生產(chǎn)階段，每一次調(diào)節(jié)底吹爐參數(shù)都會(huì)對(duì)冶煉生 產(chǎn)造成一定影響，因而如何能將底吹爐參數(shù)調(diào)整到最佳生產(chǎn)狀態(tài)一直都是研究重點(diǎn)。 Fluent軟件是目前國(guó)內(nèi)外使用最多、最流行的CR)商業(yè)軟件之一，其包含豐富、經(jīng)過(guò)工程確 認(rèn)的物理模型，能夠精確地模擬傳熱、化學(xué)反應(yīng)、多相流等復(fù)雜機(jī)理的流動(dòng)問(wèn)題。
[0004] 因此，有必要設(shè)計(jì)一種在底吹爐進(jìn)入生產(chǎn)階段之前，基于Fluent軟件對(duì)底吹爐進(jìn) 行仿真模擬并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于Fluent軟件對(duì)底 吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，將底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的工程性問(wèn)題變成數(shù)學(xué)問(wèn)題，為底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化 提供了簡(jiǎn)單快捷的方法。
[0006] 為了解決上述的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：
[0007] 一種基于F Iuent軟件對(duì)底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，包括以下步驟：
[0008] 1)根據(jù)底吹爐圖紙，得到底吹爐基本尺寸參數(shù)，利用ANSYS軟件建立實(shí)體模型并輸 出*. iges文件；
[0009] 2)將步驟1中輸出的*.iges文件導(dǎo)入GAMBIT前處理器(或TGrid前處理器），采用其 獨(dú)有的先進(jìn)的六面體核心(HEXC0RE)技術(shù)劃分網(wǎng)格并輸出*. Cdb文件；
[0010] 3)將步驟2中輸出的Cdb文件導(dǎo)入CFX-Pre前處理模塊，利用其設(shè)定出入口的便 捷性，設(shè)定底吹爐模型的流速入口位置和壓力出口位置（進(jìn)氣口和出氣口條件）并輸出* .def文件；
[0011] 4)利用Fluent軟件讀取步驟3中得到的*.def文件，設(shè)置底吹爐模型的數(shù)學(xué)模型、 物性參數(shù)、邊界條件，設(shè)定數(shù)學(xué)模型的計(jì)算初始條件以及開(kāi)始數(shù)值模擬計(jì)算，并得到*.cas 和*.dat結(jié)果文件；
[0012] 5)將步驟4中的cas和dat結(jié)果文件導(dǎo)入后處理軟件Tecplot中，得到底吹爐模 擬圖形數(shù)據(jù)，包括底吹爐不同截面的速度矢量云圖和溫度分布云圖；
[0013] 6)輸出步驟5中的模擬圖形數(shù)據(jù)；
[0014] 7)重復(fù)步驟1)~6)，進(jìn)行多次數(shù)值模擬，每一次數(shù)值模擬時(shí)改變步驟1)中的底吹 爐基本尺寸參數(shù)和步驟4)中的邊界條件參數(shù)；
[0015] 對(duì)比多次數(shù)值模擬輸出的模擬圖形數(shù)據(jù)，得到底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最佳參數(shù)。
[0016] 根據(jù)步驟7)中得到的底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最佳參數(shù)條件，對(duì)底吹爐工業(yè)冶煉生產(chǎn)提 供優(yōu)化指導(dǎo)。
[0017] 所述步驟1)，基本尺寸參數(shù)包括:底吹爐外形整體尺寸，噴槍位置、個(gè)數(shù)及尺寸，煙 道口位置及尺寸。
[0018] 所述步驟2)中，底吹爐實(shí)體模型經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)目在28萬(wàn)至30萬(wàn)之間。
[0019] 所述步驟3)中，為方便后續(xù)計(jì)算，設(shè)定流速入口位置為噴槍位置，壓力出口位置為 煙道口位置。
[0020] 所述步驟4)中，涉及的數(shù)學(xué)模型包括:多相流模型、能量模型、湍流模型、離散相模 型；
[0021] 其中多相流模型采用VOF模型；
[0022] 其中端流模型采用標(biāo)準(zhǔn)(Standard)k-e模型。
[0023] 所述步驟4)中，物性參數(shù)包括:密度、粘度、表面張力、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)；
[0024] 所述步驟4)中，邊界條件包括:噴槍入口速度、噴槍傾角、煙道口壓力、壁面條件、 熔池深度、熔體生熱率、離散相性質(zhì)及水力直徑，其中壁面條件為對(duì)流換熱。
[0025]所述步驟4)中，采用PISO算法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。
[0026]所述步驟4)中，設(shè)定數(shù)值模擬計(jì)算的初始化條件為利用Fluent軟件的Patch功能 劃分熔體各相區(qū)域并設(shè)定熔體初始溫度。
[0027] 所述步驟7)中，改變的底吹爐基本尺寸參數(shù)包括噴槍個(gè)數(shù)和噴槍尺寸，改變的邊 界條件包括噴槍入口速度、噴槍傾角、煙道口壓力、熔池深度。
[0028] 本發(fā)明具有的有益效果是:底吹爐冶煉是一個(gè)傳熱和多相流綜合的流動(dòng)過(guò)程，利 用fluent軟件模擬底吹爐熔煉過(guò)程，可以得到復(fù)雜過(guò)程中的各個(gè)基本物理參數(shù)(例如：流 速、溫度、壓強(qiáng)等)及其隨時(shí)間變化的情況，這些參數(shù)能直觀(guān)形象的反映出冶煉過(guò)程的好壞。 [0029]本發(fā)明利用ANSYS前處理模塊實(shí)體建模的強(qiáng)大性、GAMBIT(或T Grid)劃分網(wǎng)格的 高質(zhì)量性、CFX-Pre結(jié)構(gòu)處理的便捷性、Fluent先進(jìn)的流體數(shù)值模擬方法和Tecplot(或CFD-Post)模擬結(jié)果后處理的直觀(guān)性，將底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的工程性問(wèn)題變成數(shù)學(xué)問(wèn)題。采用上述 仿真模擬技術(shù)，建立與實(shí)際體系一致的底吹爐模型，對(duì)工業(yè)底吹爐進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié) 果，優(yōu)化底吹爐結(jié)構(gòu)參數(shù)，為底吹爐工業(yè)生產(chǎn)提供了優(yōu)化指導(dǎo)，改善其運(yùn)行條件，降低經(jīng)驗(yàn) 化調(diào)整底吹爐參數(shù)造成的損失，指導(dǎo)底吹爐工業(yè)生產(chǎn)。為底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一種簡(jiǎn)單 快捷的方法。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1是本發(fā)明的基本流程結(jié)構(gòu)圖。
[0031] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例的底吹爐示意圖。
[0032]圖3是本發(fā)明實(shí)施例速度分布圖。
[0033]圖4是本發(fā)明實(shí)施例溫度分布圖。
[0034] 圖中：1、噴槍?zhuān)?、下料口，3、煙道口。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不受實(shí)施例所限：
[0036] 1)根據(jù)底吹爐設(shè)計(jì)圖紙，確定底吹爐外形尺寸、噴槍尺寸、煙道口尺寸，利用ANSYS 建立底吹爐實(shí)體模型并輸出*.iges文件；
[0037] 底吹爐實(shí)體模型如圖2所示，包括底吹爐主體、3處噴槍1、2處下料口 2以及煙道口 3。其中，爐體左邊結(jié)構(gòu)參數(shù)為直徑2.2m，長(zhǎng)9.363m，右邊參數(shù)為直徑2.36m，長(zhǎng)1.688m，中間 連接處長(zhǎng)度〇.605m。氣體入口為位于爐子底部的3個(gè)噴槍?zhuān)?個(gè)噴槍的總有效面積為 284.456cm2。煙氣出口在爐體左上部，偏離中心線(xiàn)0.2m，尺寸長(zhǎng)X寬X高為1.244m X 1.044m X0.283m。
[0038] 2)將步驟1中輸出的文件導(dǎo)入G A M BIT前處理器中，對(duì)底吹爐模型劃分網(wǎng)格并輸 出cdb文件；
[0039] 3)將步驟2中輸出的文件導(dǎo)入CFX-Pre前處理模塊，利用其設(shè)定出入口的便捷性， 設(shè)定底吹爐模型的進(jìn)氣口和出氣口條件并輸出*. def文件；
[0040] 4)利用Fluent軟件讀取步驟3中得到的*.def文件，設(shè)置底吹爐模型的數(shù)學(xué)模型 (VOF多相流模型、1〇4湍流模型、能量模型、離散相模型）、物性參數(shù)(熔體密度、粘度、表面張 力、導(dǎo)熱系數(shù)）、邊界條件(噴槍入口速度、噴槍傾角、煙道口壓力、熔池深度、壁面條件），選 擇PISO計(jì)算方法，設(shè)定模型的計(jì)算初始條件以及開(kāi)始數(shù)值模擬計(jì)算，并得到*. cas和*. dat 結(jié)果文件；
[0041 ] 其中Fluent設(shè)定過(guò)程如下： Import in the CFX Hlc： /lTjj A*.def >CiT-
[0042] SelectModels.; / 選擇數(shù)學(xué)模型 Dclmc/Modcls/Mulliphasc/Voiumc of Fluid； /選抒 VOF ,,..,,/Energy/On； /打開(kāi)能量模型 ....../Viscous/Siandard k-c, Standard Wall Fn ； /選擇 k-e 模型 .....,/Discrete Phaso/On ； /打開(kāi)離散相?！?Dofmc/Maicrials； /Vii 義物件參數(shù) User-defined； r.·. ? DeHne/Boundary Condhions/Airin; /設(shè)定噴槍入口邊界條件 [0043] ....../DuStout; /設(shè)定煙道口邊界條件 ./Wall； /設(shè)定壁面邊界條件 Solvc/Mclhods/Schcmc/PISO； / iibii求解"U、 SoIvc/lnilializalion/lnilializc/Palch； Α????:初始條 ?? Solvc/Run Calculation/Timc Slop Size Cs) /lc-4； /IiKii吋N ll; LC Solvc/Run Calcuiaiion/Calculatc； /外始【卜分
[0044] 5)將步驟4中的結(jié)果文件(*. cas、*.dat)導(dǎo)入Tecplot中，得到底吹爐不同截面的 速度矢量云圖和溫度分布云圖；
[0045]步驟5中得到的速度分布云圖（如圖3)和溫度分布云圖（如圖4)。圖3顯示了底吹爐 內(nèi)各處流速分布情況，圖中各處數(shù)字代表流速大小，這能直觀(guān)的反應(yīng)噴槍鼓入的射流對(duì)底 吹爐內(nèi)的攪拌效果。圖4顯示了底吹爐內(nèi)溫度分布情況，從圖中的溫度大小能了解到爐內(nèi)哪 些區(qū)域溫度高，以便降溫散熱處理。
[0046] 6)輸出步驟5中的模擬圖形數(shù)據(jù)，通過(guò)改變步驟1中的相關(guān)參數(shù)包括:噴槍數(shù)目、噴 槍傾角、噴槍直徑、噴槍入口流速、熔池深度等，重復(fù)步驟2、3、4、5，對(duì)比模擬結(jié)果的流速分 布圖和溫度分布圖，能直觀(guān)的判斷調(diào)整參數(shù)后的效果，由模擬結(jié)果的最優(yōu)解直至得到底吹 爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最佳參數(shù)條件；
[0047] 根據(jù)步驟6中得到的底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果，選擇最優(yōu)化的噴槍數(shù)目、噴槍傾角、噴 槍直徑、噴槍入口流速、熔池深度的參數(shù)，指導(dǎo)底吹爐工業(yè)生產(chǎn)。
[0048] 本發(fā)明方法通過(guò)建立與實(shí)際體系一致的底吹爐模型，對(duì)工業(yè)底吹爐進(jìn)行模擬，根 據(jù)模擬結(jié)果，優(yōu)化底吹爐結(jié)構(gòu)參數(shù)，改善其運(yùn)行條件，降低經(jīng)驗(yàn)化調(diào)整底吹爐造成的損失， 指導(dǎo)底吹爐工業(yè)生產(chǎn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于Fluent軟件對(duì)底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，其特征在于，包括如下步驟： 1) 根據(jù)底吹爐設(shè)計(jì)圖紙，得到底吹爐基本尺寸參數(shù)，利用ANSYS軟件建立底吹爐實(shí)體模 型并輸出*. iges文件； 2) 將步驟1中輸出的*.iges文件導(dǎo)入GAMBIT或TGrid前處理器，對(duì)底吹爐實(shí)體模型劃分 網(wǎng)格； 3) 將步驟2中輸出的*. cdb文件導(dǎo)入CFX-Pre前處理模塊設(shè)定底吹爐實(shí)體模型的流速入 口位置和壓力出口位置并輸出*· def文件； 4) 利用Fluent軟件讀取步驟3中得到的*.def文件，設(shè)置底吹爐實(shí)體模型的數(shù)學(xué)模型、 物性參數(shù)和邊界條件，設(shè)定數(shù)值模擬計(jì)算的初始化條件，并開(kāi)始數(shù)值模擬計(jì)算，得到*. cas 和*.dat結(jié)果文件； 5) 將步驟4中的*. cas和*. dat結(jié)果文件導(dǎo)入后處理軟件Tecplot中，得到底吹爐模擬圖 形數(shù)據(jù)，包括底吹爐不同截面的速度矢量云圖和溫度分布云圖； 6) 輸出步驟5中的模擬圖形數(shù)據(jù)； 7) 重復(fù)步驟1)~6)，進(jìn)行多次數(shù)值模擬，每一次數(shù)值模擬時(shí)改變步驟1)中的底吹爐基 本尺寸參數(shù)和步驟4)中的邊界條件參數(shù)； 對(duì)比多次數(shù)值模擬輸出的模擬圖形數(shù)據(jù)，得到底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最佳參數(shù)條件。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于Fluent軟件對(duì)底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，其特征在于，所述步 驟1)中，基本尺寸參數(shù)包括底吹爐外形整體尺寸、煙道口的位置和尺寸、噴槍位置、個(gè)數(shù)及 尺寸。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于Fluent軟件對(duì)底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，其特征在于，所述步 驟2)中，底吹爐實(shí)體模型經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)目在28萬(wàn)至30萬(wàn)之間。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于Fluent軟件對(duì)底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，其特征在于，所述步 驟3)中，設(shè)定流速入口位置為噴槍位置，壓力出口位置為煙道口位置。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于Fluent軟件對(duì)底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，其特征在于，所述步 驟4)中，采用的數(shù)學(xué)模型包括多相流模型、湍流模型、能量模型和離散相模型。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述基于Fluent軟件對(duì)底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，其特征在于，所述多 相流模型采用V0F模型； 所述湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-e模型。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于Fluent軟件對(duì)底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，其特征在于，所述步 驟4)中，物性參數(shù)包括熔體密度、粘度、表面張力、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)； 邊界條件包括噴槍入口速度、噴槍傾角、煙道口壓力、壁面條件、熔池深度、熔體生熱 率、離散相性質(zhì)及水力直徑，其中壁面條件為對(duì)流換熱。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于Fluent軟件對(duì)底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，其特征在于，所述步 驟4)中，采用PIS0算法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于Fluent軟件對(duì)底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，其特征在于，所述步 驟4)中，設(shè)定數(shù)值模擬計(jì)算的初始化條件為利用Fluent軟件的Patch功能劃分恪體各相區(qū) 域并設(shè)定熔體初始溫度。10. 根據(jù)權(quán)利要求1~9中任一項(xiàng)所述基于Fluent軟件對(duì)底吹爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，其特 征在于，所述步驟7)中，改變的底吹爐基本尺寸參數(shù)包括噴槍個(gè)數(shù)和噴槍尺寸，改變的邊界 條件包括噴槍入口速度、噴槍傾角、煙道口壓力、熔池深度。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK106055835SQ201610475274
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月27日
【發(fā)明人】張紅亮, 湯卓, 陳永明
【申請(qǐng)人】中南大學(xué)