环式冷却机烧结矿冷却的数值模拟

软件天地

文章编号:1008-0570(2010)11-1-0098-03

《微计算机信息》(测控自动化)2010年第26卷第11-1期

环式冷却机烧结矿冷却的数值模拟

NumericalSimulationofSinterCoolinginRingCooler

(中南大学)

夏建芳曾琦

XIAJian-fangZENGQi

摘要:鼓风式环式冷却机中空气通过烧结矿的流动是典型的多孔介质一纯流体耦合流动,多孔介质模型能够良好的反映其

工作特性。本文基于Fluent软件中的多孔介质模型,采用SIMPLE算法和标准两方程湍流模型对环式冷却机烧结矿冷却进行了数值模拟。得出了流体通过多孔介质的压力场、速度场和温度场,这些结果对环式冷却机整个系统的优化和改造具有重要意义。

关键词:环式冷却机;多孔介质模型;数值计算;耦合流动中图分类号:TD文献标识码:A

技术创新

Abstract:Gasthroughthesinterinblastringcoolerisatypicalcoupledflowofporousmediaandpurefluid,porousmediamodelcanwellreflectthecharacteristicsofitswork.BasedontheporousmediamodelofFluentsoftware,thispapermakesthenumericalsimulationforthecoolingofthesinterinringcoolerbyusingSIMPLEalgorithmandthestandardtwo-equationturbulencemodel,thengetthepressurefield,velocityfieldandtemperaturefieldwhenthefluidthroughtheporousmedia.Theseresultshaveanim-portantsignificanceontheoptimizationandtransformationofthewholesystemfortheringcooler.Keywords:ringcooler;porousmediamodel;numericalsimulation;coupeldflow

1前言

环式冷却机是烧结工艺中的一个重要设备,主要用于烧结矿的冷却,因其具有冷却效率高、结构紧凑等特点而在钢铁制造行业中被广泛采用。在钢铁制造过程中,经过碾碎的热烧结矿(粒度一般不超过150mm),其温度在800℃左右,需将其冷却到150℃以下供后续流程使用。采用鼓风冷却形式,风机通过风管将常温风鼓入环冷机冷却床的底部,在风压作用下,冷风强行穿过布满高温烧结矿的冷却床,将烧结矿中的热量带走,达到冷却的目的。环式冷却机的设计研究虽已有几十年的历史,但是由于环冷机现场工作环境的局限性,其内部流场却没有为人们所了解,其中烧结矿的冷却是一个复杂的流动和传热过程,我们需要对其进行数值模拟来了解其内部的流场。

用这种方法模拟了蒸汽发生器和核反应堆堆芯中的流动。Karayannis和Markatos模拟了换热器中的流动。Prithiviraj和Andrews模拟了三维换热器中的流动。

本文以某钢铁厂的鼓风式环式冷却机为研究对象,对其烧结矿的冷却进行数值模拟。将烧结矿看做多孔介质,烧结矿的冷却可以简化为流体通过多孔介质的数值模拟。本文利用多孔介质模型的思想,采用统一形式的时均N-S方程和标准两方程湍流模型来描述耦合区域内的气体流动,并利用成熟的CFD技术对方程进行求解。

3数值模拟

3.1基本假设

多孔结构和流动介质均视为连续的均匀介质,用体平均化方法可以得到平均的流动和能量方程。具体假定:(1)多孔骨架各向同性,填充颗粒是大小均匀的烧结矿,流体视为不可压缩流体;(2)流体在多孔介质内的流动为非定常的二维受迫流动;(3)能量方程中的轴向导热忽略不计。

3.2控制方程

在对空气冷却烧结矿进行数值模拟时,采用体积平均法技术后,多孔介质的宏观连续方程可以表示成下式:

(1)

为流体的密度(kg/m3);V

2烧结矿冷却的多孔介质模型

多孔介质模型可以应用于很多问题,如通过充满其它介质

穿孔圆盘、流量分配器及管道堆的的流体的流动,通过过滤纸、

流动。多孔介质中流体流动的数值模拟研究是指从多孔介质宏观流动所遵循的控制方程出发,利用数值方法模拟多孔介质中的流动现象,对模拟的结果进行分析,从而得到所需的结果。

基于多孔介质模型的数值模拟方法最初用于模拟换热器和核反应堆中的流动和传热问题,换热器中存在大量的换热管道和障碍片,要细致地模拟其中的流动需要大量的网格。为了模拟这种流动,Patankar和Spalding提出了采用分布阻力的方法,也称为多孔介质模型的方法.该方法的主要思想是将流动区域中的固体结构(换热器中的换热管道)的作用认为是附加在流体上的分布阻力,从而以较粗糙的网格来模拟流动。之后,Sha等采

夏建芳:教授

-

式中,为多孔介质的孔隙率;

为流体的表观速度。

在惯性(非加速)坐标系中i方向上的动量守恒方程为:

其中,P是静压,是应力张量,重力体积力和外部体积力。

和

(2)

分别为i方向上的

98-360元/年邮局订阅号：82-946现场总线技术应用200例》

软件天地

及其它相关的标量值。即给定入口处速度、温度的值。

出口边界为压力出口边界条件,在其上给定出流条件,即给定出流的压力。

其他为固壁边界条件,在粘性流动中,壁面默认为无滑移边界条件和标准壁面函数。

数值计算采用CFD软件fluent6.3,利用压力-速度耦合的

速度场和温度场。SIMPLE算法求解流体通过多孔介质的压力场、

3.5计算结果及讨论

图1和图2所示分别为轴线x=0上压力分布和轴向速度分布。多孔介质对气流的阻碍作用使得高压气流流经多孔介质材料后气流压力急剧降低,降低的程度和多孔介质的阻力特性有关。可以看到图2中轴线上速度的变化并不大,冷空气由底部风机强制通风带入,从下往上速度逐渐下降,通过多孔介质区域时,速度下降后逐步达到稳定。也就是说,气体经过多孔介质材料的不可压缩 …… 此处隐藏：3704字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……