Описание программы

Описание программы

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.

Математическая модель

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 εсредняя порозность слоя в элементарном объеме;

εппросветность слоя;

qv – мощность внутренних источников (стоков) массы;

ρ – плотность газа, кг3;

vвектор 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);

Dтензор скоростей деформации;

р – давление газа, Па;

μ – динамическая вязкость газа, Па*с.

Уравнение баланса энергии выглядит следующим образом:

,

где Т – температура газа;

tтемпература 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;

qмощность 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.

 

Использование программы

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.

 

Перейти на главную страницу