高炉炉缸侵蚀数值计算几个问题的研究

摘要

高炉是炼铁的重大设备，其建设维修费用巨大。高炉长寿对提高企业的经济效益具有重大意义，尽可能延长高炉寿命是各国高炉工作者不懈追求的目标。高炉服役后，高炉炉衬的侵蚀状态是决定高炉寿命的主要因素，跟踪监测炉缸炉底侵蚀状态对高炉安全生产具有实际指导意义。目前，常用的高炉炉缸内衬侵蚀分析模型有一维侵蚀模型和二维侵蚀模型，由于三维侵蚀模型计算量大，故未见应用。
　　本文以高炉炉缸内衬侵蚀预测分析的研究与开发为背景，将侵蚀分析模型归结为二维稳态轴对称传热问题，并运用有限单元法对其进行分析计算。主要内容包括：⑴应用Matlab与Visual C++混合编程，调用部分Matlab库函数，根据高炉内衬侵蚀形貌的实际特征，提出并实现了一种基于凸凹多边形的Delaunay三角剖分算法，实现了高炉轴截面有限元计算的区域离散；⑵建立了内衬二维侵蚀模型，根据给定的温度数据可计算得到内衬的1150℃连续等温线，再经离散单元插值细分、平滑等值线、温度云图绘制等方法实现了高炉内衬二维温度场的可视化显示；⑶构造了基于NURBS的内衬侵蚀曲面重构过程及关键算法，根据二维侵蚀边界的特征，利用OpenGL实现了炉缸内衬侵蚀三维曲面的显示；⑷在Visual C++6.0编译平台下，使用C++编写代码，生成独立可执行文件，可以脱离商业软件(如Matlab，Ansys)的环境。并成功将温度场的可视化和曲线曲面重构技术应用到国内某些高炉的炉缸内衬侵蚀状态分析和系统开发，形成了专用系统。在生产实践中，验证了算法的稳定性、有效性和可靠性。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．3 课题意义和研究内容

第2章 传热理论与有限单元法

2．1 传热学基本理论

2．1．1 热量传递

2．1．2 能量守恒原理

2．1．3 导热热流速率方程

2．1．4 导热微分方程

2．1．5 定解条件

2．2 传热问题的有限元法

2．2．1 伽辽金(Galerkin)法

2．2．2 平面温度场的有限单元法的基本方程

2．2．3 简单三角形单元

2．2．4 平面三角形单元总体合成

2．4 本章小结

第3章 Delaunay三角剖分快速生成算法

3．1 有限元网格的剖分规则

3．2 Delaunay三角网

3．3 Delaunay三角剖分的常用算法

3．3．1 建立凸包

3．3．2 建立初始Delaunay三角网

3．3．3 离散点插入

3．4 Matlab与Visual C++混合编程

3．5 Matlab中函数

3．6 改进的Delaunay三角剖分算法

3．6．1 相关概念

3．6．2 三角剖分算法

3．7 改进的Delaunay三角剖分效果图

3．8 本章小结

第4章 炉衬侵蚀计算模型的建立与求解

4．1 假设条件

4．2 模型的建立

4．3 二维正解法和逆解法

4．3．1 正解法

4．3．2 逆解法

4．5 初始侵蚀边界和模型重构

4．5．1 初始边界的确定

4．5．2 模型重构和边界移动

4．6 二维侵蚀边界的几何构造

4．6 温度场的可视化

4．6．1 离散单元插值细分

4．6．2 平滑等值线

4．6．3 温度云图绘制

4．7 本章小结

第5章 炉缸内衬曲线曲面侵蚀重构技术

5．1 曲线曲面创建的常用方法

5．1．1 Bézier曲线曲面

5．1．2 B-spline曲线曲面

5．1．3 NURBS曲线曲面

5．2 NURBS曲线插值

5．2．1 数据点参数化

5．2．2 反算样条曲线控制顶点

5．2．3 边界条件处理

5．3 蒙面法曲面造型

5．3．1 构造截面曲线

5．3．2 统一节点矢量

5．3．3 数据点重采样

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢