KR法搅拌罐内自由液面及多相流混合特性数值模拟

摘要

国家经济建设的快速发展对高品质钢种的需求与日俱增，而钢材中含硫量高会降低其韧性、塑性和疲劳寿命等机械性能。由于KR(Kanbara Reactor)法机械搅拌脱硫具有脱硫效率高效和脱硫成本低廉等优势，被普遍用于铁水脱硫预处理工艺中。在实际生产中，KR法脱硫处理涉及自由液面卷吸脱硫剂及其与高温铁水混合等复杂过程，对铁水罐内流速场的探究是分析众多复杂过程的重要基础。随着CFD(Computational Fluid Dynamics)技术飞跃性的发展，数值模拟方法不仅可以克服实验研究成本高、条件苛刻等问题，也能直观成像和直接测量流场参数，故被普遍用于分析搅拌罐内多相流的混合效果。
　　目前，关于KR法脱硫的数值研究多不计及自由液面对脱硫剂颗粒的卷吸作用，且将脱硫剂颗粒视为拟流体，这与实际工况下的脱硫过程有一定偏差。开展各工艺参数对搅拌罐内液面变化、流场特性及脱硫剂扩散规律影响的数值研究，对增强固-液混合效果与改善脱硫效率具有显著的实际价值。本文借助商用CFD软件FLUENT，一方面在水模实验的基础上，利用数值模拟方法研究计及自由液面波动的搅拌罐内流场变化过程，并探究了主要结构及工艺参数对自由液面及流速场变化的影响;另一方面采用欧拉-欧拉模型和联合仿真条件下的欧拉-拉格朗日模型，分析脱硫剂颗粒受自由液面卷吸进入罐内流场的运动过程和分散效果。主要研究内容如下:
　　(1)建立基于相似性准则的水模实验模型，得到不同搅拌器转速和浸没深度下的自由液面漩涡深度及高度测量结果。随后基于标准κ-ε湍流模型描述流场的湍流特性，采用多重坐标系法(Multi Reference Frame，MRF)和VOF(Volume of Fluid)法建立气液两相流模型，通过仿真方法分析铁水罐内流速场和自由液面的变化。为了验证仿真方法的准确性，将仿真得到的液面漩涡深度及漩涡高度同水模实验结果进行对比。基于该数值模型进一步探究了搅拌器转速、浸没深度、叶轮直径和叶片数目等主要参数与搅拌罐内自由液面和流速场变化的关系。
　　(2)针对脱硫剂均匀和平铺两种初始布料方式，开展搅拌罐内多相流混合特性的数值研究，采用欧拉-欧拉法将脱硫剂颗粒视为拟流体，研究搅拌过程中计及液面效应的脱硫剂、水和空气浓度分布的变化，进一步探究了搅拌器转速和浸没深度与拟流体脱硫剂分布的关系。
　　(3)通过EDEM和FLUENT两软件的联合使用，采用离散元法和有限体积法相耦合的建模方法，建立KR法脱硫固-液-气三相流数值模型，其中脱硫剂固体颗粒采用离散元法建模，水和空气采用连续流体相建模，进行计及自由液面变化的脱硫剂运动轨迹跟踪和流场特征参数动态仿真分析，对工艺效果进行直观显示并做相应评价。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 KR机械搅拌法研究现状

1．3 搅拌槽自由液面国内外研究现状

1．3．1 国内研究

1．3．2 国外研究

1．4 搅拌槽固-液两相体系研究现状

1．4．1 实验研究

1．4．2 数值研究

1．5 DEM-CFD耦合仿真技术的应用

1．6 主要研究内容

第2章 多相流混合数值模拟相关理论

2．1 流体流动控制方程及湍流模型

2．1．1 控制方程

2．1．2 湍流模型

2．2 CFD网格划分及流场动静区域处理

2．2．1 网格划分

2．2．2 流场动静区域处理

2．3 多相流混合模型

2．3．3 EDEM-FLUENT耦合模拟

2．4 本章小结

第3章 搅拌罐内液面波动及流场特性实验与仿真研究

3．1 概述

3．2 验证水模实验描述

3．2．1 水模实验装置

3．2．2 自由液面漩涡参数的测量结果

3．3 气-液两相流数值模拟

3．3．1 气-液两相流数值模拟方案

3．3．2 几何模型及网格划分

3．3．3 边界条件和数值算法设置

3．3．4 数值模型验证

3．4 自由液面影响因素分析

3．4．1 转速和浸没深度对自由液面的影响

3．4．2 叶轮直径对自由液面的影响

3．4．3 叶片数目对自由液面的影响

3．5 流场影响因素分析

3．5．1 流速场和湍动能分析

3．5．2 搅拌器转速对流速场的影响

3．5．3 搅拌器浸没深度对流速场的影响

3．5．4 叶轮直径对流速场的影响

3．5．5 叶片数目对流速场的影响

3．6 本章小结

第4章 搅拌罐内多相流混合数值模拟

4．1 概述

4．2 多相流混合数值模拟方法

4．3 均匀式分布的数值模拟结果及分析

4．3．1 脱硫剂浓度变化

4．3．2 液体浓度变化

4．3．3 空气浓度变化

4．4 平铺式分布的数值模拟结果及分析

4．4．1 脱硫剂浓度变化

4．4．2 液体浓度变化

4．4．3 空气浓度变化

4．5 脱硫剂分布影响参数研究

4．5．1 搅拌器转速对脱硫剂分布的影响

4．5．2 搅拌器浸没深度对脱硫剂分布的影响

4．6 本章小结

第5章 基于EDEM-FLUENT耦合的固-液-气混合数值模拟

5．1 概述

5．2．1 EDEM参数设置

5．2．2 FLUENT参数设置

5．3 EDEM-FLUENT耦合模型仿真结果及分析

5．3．1 自由液面变化和流速场分布

5．3．2 脱硫剂颗粒分布变化

5．3．3 脱硫剂颗粒分布统计

5．3．4 单个脱硫剂颗粒运动轨迹

5．4 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文