Версия: 1.0 (30.10.2016)
Разработчик: Свиткин В.Г.
Сайт разработчика: http://smallsoft2.blogspot.ru/
Методика расчета: Швыдкий В.С., УрФУ, кафедра Теплофизики и информатики в металлургии ( http://tim-urfu.ru/ )
Назначение программы:
Программа предназначена для моделирования процессов движения газов в доменной печи. Исходными данными программы являются геометрические параметры профиля печи и расположения фурм, теплофизические характеристики дутья, температуры фурменного очага и колошника, расход шихтовых материалов и параметры формы их кусков. Программа использует двумерную осесимметричную математическую модель с неравномерной сеткой, где координаты отсчитываются вдоль высоты и радиуса печи. Первоначальные поля рассчитываются в изотермическом приближении, затем программа осуществляет итерационный расчет с учетом температурного поля.
Результатом работы программы являются поля скорости (вертикальной и горизонтальной составляющей) и давления в рабочем пространстве печи. Результаты представляются в виде таблицы и графического изображения линий тока. Возможен экспорт результатов в форматы CSV и JPEG.
Математическое описание движения потока газа в слое кусковых материалов сопряжено с большими трудностями [Китаев Б. И. Теплотехника доменного процесса – М.: "Металлургия", 1978. – 248 с.]. Использование известных уравнений Навье-Стокса в данном случае не представляется возможным из-за сложной конфигурации каналов для прохода газов, которая к тому же заранее неизвестна. С другой стороны, широко распространенную среди гидротехников методику перехода к фиктивным скоростям (скоростям фильтрации) применительно к условиям доменных печей нельзя признать удовлетворительной, так как от параметров динамики газов (скорости, давления, температуры) зависит интенсивность протекания процессов тепло и массообмена.
Проблема, таким образом, состоит в том, чтобы получить уравнения движения газа в слое, связывающие среднюю скорость газа в межкусковом пространстве (истинную скорость), eгo действительное давление и температуру. При этом, естественно, должны выполняться уравнения сохранения массы, количества движения и энергии. По-видимому, решение вышеуказанной проблемы должно быть основано на достижениях современной теории сплошной среды с использованием параллели между течением газа в слое и движением гипотетической жидкости, занимающей весь объем аппарата, включая и объем кусковых материалов.
Физическая формулировка задачи состоит в следующем. В шахтную печь заданных геометрических размеров через фурмы вдувается газ. Фурмы диаметром dф выдвинуты от внутренней поверхности кладки печи на определенное расстояние (высов фурмы). Требуется определить скорость, температуру и давление в любой точке слоя, если заданы расход, давление и температура дутья, а также давление на уровне засыпи.
Рассмотрим основные уравнения модели газодинамики. Уравнение неразрывности имеет следующий вид:
,
где ε – средняя порозность слоя в элементарном объеме;
εп – просветность слоя;
qv – мощность внутренних источников (стоков) массы;
ρ – плотность газа, кг/м3;
v – вектор скорости газа.
Обычно принимают, что средние значения просветности и порозности равны между собой. Это предположение оказывается справедливым, если осреднение осуществляется по всему объему слоя, т. е. если структура слоя однородна. Принимая допущение о поршневом движении материала в слое, можно считать, что порозность слоя не зависит от скорости движения материала.
Уравнение движения вязкого сжимаемого газа в слое следует из закона сохранения импульса:
,
где R – дополнительное сопротивление проталкиванию газа через слой (функция порозности слоя);
D – тензор скоростей деформации;
р – давление газа, Па;
μ – динамическая вязкость газа, Па*с.
Уравнение баланса энергии выглядит следующим образом:
,
где Т – температура газа;
t – температура материала;
λ – теплопроводность газа;
αv – коэффициент конвективной теплоотдачи;
qR – скорость притока тепла за счет излучения;
qг; – источник (сток) тепла, действующий в газе.
Для замыкания системы необходимо добавить следующие уравнения:
- Уравнение состояния газа:
.
- Уравнение нагрева кусков материала:
,
где ρм, см – теплопроводность и теплоемкость материала;
q – мощность внутренних источников теплоты материала.
- Закономерности изменения вязкости и теплопроводности газа:
Таким образом, приведенная система уравнений описывает неизотермическое движение вязкого сжимаемого газа в слое кускового материала.
Окно ввода исходных
данных для расчета газодинамики представлено на
рисунке 1.
Рисунок 1 – Исходные данные для
расчета газодинамики
При нажатии кнопки
«Расчет» будет запущен процесс моделирования, ход которого (количество итерации
на каждом этапе) будет отображаться на экране (рисунок 2).
Рисунок 2 – Ход расчета газодинамики
Результат расчета газодинамики будет представлен в виде таблицы распределения
параметров в пространстве печи (рисунок 3) и в виде графического изображения
линий тока (рисунок 4).
На вкладке
«Результат» будут представлены полные результаты расчета в текстовом виде,
включая количество итераций на разных этапах расчета, координаты узлов сетки и
промежуточные результаты расчета.
На вкладке «Таблица»
можно вывести в табличном виде распределение параметров в рабочем пространстве
печи. Выберите параметр из раскрывающегося списка, и программа отобразит
таблицу. Вертикальной координатой является высота в метрах (первая строка
соответствует колошнику печи). Горизонтальной координатой является радиус печи
(первый столбец – ось печи, последний – ее стенка). Уровень фурмы для
наглядности выделен синим цветом.
Рисунок 3 – Таблица результатов
расчета
Рисунок 4 – Отображение линий
тока
Результаты работы
программы можно использовать для исследования влияния различных факторов на
характер движения газов в доменной печи. Для экспорта результатов
воспользуйтесь кнопкой «Экспорт». В появившемся диалоге выберите папку куда сохранить результаты (существующие файлы будут
перезаписаны). Экспортированные файлы включают: полный текстовый отчет, CSV-таблицы параметров и изображение с линиями
тока.