贴体坐标程序开发及其在钢包炉精炼中的应用

摘要

数值仿真技术经过几十年的发展，到目前为止已经形成了以有限差分法、有限容积法、有限元法及边界元法等为主要手段的研究方法。在流体力学及传热学领域主要应用有限差分法和有限体积法。以往的程序对复杂边界区域的计算大多采用阶梯网格逼近物理边界的，不能够实现完全的贴体，这就使计算结果在边界处失真。
　　本文尝试应用贴体坐标法，对复杂边界模型进行网格划分及数值计算。编程应用Fortran语言，数据处理使用软件Tecplot9.0。
　　网格划分部分，推导了二维、三维情形的网格生成方程，给出了网格生成的离散格式及采用TDMA方法求解。方程求解过程中采用了控制函数来控制网格与边界的正交性。文章计算了二维情形的单连通区域及多连通区域的贴体网格实例，三维方程的网格划分实例是包钢150t钢包模型。流体计算部分，推导出了在贴体坐标系下的二维及三维情形下的传输方程，给出了其离散格式；并且详细阐述了应用传输方程计算流场的SIMPLE算法。
　　流场计算部分对比了贴体坐标法和阶梯拟合法逼近物理真实边界的优劣，充分说明了贴体坐标的优越性。最后应用贴体坐标法对150t钢包炉单孔吹氩和双孔吹氩进行了流场及浓度场的模拟计算。通过计算给出了单孔喷吹及双孔喷吹时钢包开孔的最佳喷吹位置布置。单孔吹氩建议在距中心2/3R处；双孔在距中心1/2R处、夹角为60°时为最佳。在给出开孔最佳位置后文章计算了钢包内的浓度场，在相同条件下对比了单孔喷吹及双孔喷吹混匀时间的差异。
　　本课题的研究为应用贴体坐标编程提供了理论支撑，对开发贴体坐标模拟程序奠定了基础。

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引 言

1 文献综述

1.1 炉外精炼概要

1.2 钢包吹氩

1.3 网格生成技术

1.4 选题的目的和意义

2 贴体坐标的微分方程法

2.1 贴体坐标概述

2.2 贴体网格生成

2.3 网格分布控制及方程离散

2.4 网格生成实例

3 贴体坐标系下传输方程的转换及离散

3.1 二维传输方程的转换及离散

3.2 三维传输方程的转换及离散

3.3 边界条件的给定

4 钢包流场的模拟

4.1 物理模型

4.2 数学模型的建立

4.3 两种坐标系下的流场对比

4.4 钢包最佳开口位置的模拟

5 钢液混匀时间的模拟

5.1 数学模型

5.2 计算条件

5.3 混匀时间计算结果

结 论

参考文献

在学研究成果

致谢