一种基于Fluent软件对底吹炉结构优化的方法

摘要

本发明提供一种基于Fluent软件对底吹炉结构优化的方法，包括如下步骤：根据底吹炉设计图纸，确定炉子的基本尺寸、烟道口的位置和尺寸、喷枪位置、个数及尺寸，利用ANSYS建立实体模型；通过GAMBIT或T Gird对底吹炉模型划分网格；采用CFX‑Pre设置模型出入口，并输出def格式文件；Fluent读取def文件，再设置相关计算参数并开始模拟计算；将计算结果导入Tecplot后处理，输出更为直观图形结果；根据计算结果，变更模型参数，重复上述计算步骤，直至得到最优参数条件组合。本发明通过利用数值模拟方法，实现了对底吹炉结构参数优化，为底吹炉工业生产提供了优化指导，降低了因经验化调整底吹炉参数造成的损失。

说明书

技术领域

本发明涉及到冶金行业中底吹炉结构的优化设计方法，具体是利用fluent软件对底吹炉进行仿真模拟并对其进行结构优化的方法。

背景技术

底吹炉在冶炼行业中应用越来越广泛，主要应用在炼铅、炼铜之中。底吹炉的外形结构设计、喷枪的排列分布设计、烟道口设计、下料口设计、熔池深度都是影响冶炼效果的关键因素。因此，设计调节好底吹炉的关键参数是提高冶炼效率和改善底吹炉工艺的重要的研究方向。

在冶炼过程中，一旦底吹炉进入生产阶段，每一次调节底吹炉参数都会对冶炼生产造成一定影响，因而如何能将底吹炉参数调整到最佳生产状态一直都是研究重点。Fluent软件是目前国内外使用最多、最流行的CFD商业软件之一，其包含丰富、经过工程确认的物理模型，能够精确地模拟传热、化学反应、多相流等复杂机理的流动问题。

因此，有必要设计一种在底吹炉进入生产阶段之前，基于Fluent软件对底吹炉进行仿真模拟并对其进行结构优化的方法。

发明内容

本发明所要解决的问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于Fluent软件对底吹炉结构优化的方法，将底吹炉结构优化的工程性问题变成数学问题，为底吹炉结构优化提供了简单快捷的方法。

为了解决上述的技术问题，本发明所提供的技术方案为：

一种基于Fluent软件对底吹炉结构优化的方法，包括以下步骤：

1)根据底吹炉图纸，得到底吹炉基本尺寸参数，利用ANSYS软件建立实体模型并输出*.iges文件；

2)将步骤1中输出的*.iges文件导入GAMBIT前处理器(或TGrid前处理器)，采用其独有的先进的六面体核心(HEXCORE)技术划分网格并输出*.cdb文件；

3)将步骤2中输出的*.cdb文件导入CFX-Pre前处理模块，利用其设定出入口的便捷性，设定底吹炉模型的流速入口位置和压力出口位置(进气口和出气口条件)并输出*.def文件；

4)利用Fluent软件读取步骤3中得到的*.def文件，设置底吹炉模型的数学模型、物性参数、边界条件，设定数学模型的计算初始条件以及开始数值模拟计算，并得到*.cas和*.dat结果文件；

5)将步骤4中的*.cas和*.dat结果文件导入后处理软件Tecplot中，得到底吹炉模拟图形数据，包括底吹炉不同截面的速度矢量云图和温度分布云图；

6)输出步骤5中的模拟图形数据；

7)重复步骤1)～6)，进行多次数值模拟，每一次数值模拟时改变步骤1)中的底吹炉基本尺寸参数和步骤4)中的边界条件参数；

对比多次数值模拟输出的模拟图形数据，得到底吹炉结构优化的最佳参数。

根据步骤7)中得到的底吹炉结构优化的最佳参数条件，对底吹炉工业冶炼生产提供优化指导。

所述步骤1)，基本尺寸参数包括：底吹炉外形整体尺寸，喷枪位置、个数及尺寸，烟道口位置及尺寸。

所述步骤2)中，底吹炉实体模型经过网格划分，网格数目在28万至30万之间。

所述步骤3)中，为方便后续计算，设定流速入口位置为喷枪位置，压力出口位置为烟道口位置。

所述步骤4)中，涉及的数学模型包括：多相流模型、能量模型、湍流模型、离散相模型；

其中多相流模型采用VOF模型；

其中湍流模型采用标准(Standard)k-e模型。

所述步骤4)中，物性参数包括：密度、粘度、表面张力、比热容和导热系数；

所述步骤4)中，边界条件包括：喷枪入口速度、喷枪倾角、烟道口压力、壁面条件、熔池深度、熔体生热率、离散相性质及水力直径，其中壁面条件为对流换热。

所述步骤4)中，采用PISO算法进行数值模拟计算。

所述步骤4)中，设定数值模拟计算的初始化条件为利用Fluent软件的Patch功能划分熔体各相区域并设定熔体初始温度。

所述步骤7)中，改变的底吹炉基本尺寸参数包括喷枪个数和喷枪尺寸，改变的边界条件包括喷枪入口速度、喷枪倾角、烟道口压力、熔池深度。

本发明具有的有益效果是：底吹炉冶炼是一个传热和多相流综合的流动过程，利用fluent软件模拟底吹炉熔炼过程，可以得到复杂过程中的各个基本物理参数(例如：流速、温度、压强等)及其随时间变化的情况，这些参数能直观形象的反映出冶炼过程的好坏。

本发明利用ANSYS前处理模块实体建模的强大性、GAMBIT(或T Grid)划分网格的高质量性、CFX-Pre结构处理的便捷性、Fluent先进的流体数值模拟方法和Tecplot(或CFD-Post)模拟结果后处理的直观性，将底吹炉结构优化的工程性问题变成数学问题。采用上述仿真模拟技术，建立与实际体系一致的底吹炉模型，对工业底吹炉进行模拟，根据模拟结果，优化底吹炉结构参数，为底吹炉工业生产提供了优化指导，改善其运行条件，降低经验化调整底吹炉参数造成的损失，指导底吹炉工业生产。为底吹炉结构优化提供了一种简单快捷的方法。

附图说明

图1是本发明的基本流程结构图。

图2是本发明实施例的底吹炉示意图。

图3是本发明实施例速度分布图。

图4是本发明实施例温度分布图。

图中：1、喷枪，2、下料口，3、烟道口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不受实施例所限：

1)根据底吹炉设计图纸，确定底吹炉外形尺寸、喷枪尺寸、烟道口尺寸，利用ANSYS建立底吹炉实体模型并输出*.iges文件；

底吹炉实体模型如图2所示，包括底吹炉主体、3处喷枪1、2处下料口2以及烟道口3。其中，炉体左边结构参数为直径2.2m，长9.363m，右边参数为直径2.36m，长1.688m，中间连接处长度0.605m。气体入口为位于炉子底部的3个喷枪，3个喷枪的总有效面积为284.456cm²。烟气出口在炉体左上部，偏离中心线0.2m，尺寸长×宽×高为1.244m×1.044m×0.283m。

2)将步骤1中输出的文件导入GAMBIT前处理器中，对底吹炉模型划分网格并输出*.cdb文件；

3)将步骤2中输出的文件导入CFX-Pre前处理模块，利用其设定出入口的便捷性，设定底吹炉模型的进气口和出气口条件并输出*.def文件；

4)利用Fluent软件读取步骤3中得到的*.def文件，设置底吹炉模型的数学模型(VOF多相流模型、κ-ε湍流模型、能量模型、离散相模型)、物性参数(熔体密度、粘度、表面张力、导热系数)、边界条件(喷枪入口速度、喷枪倾角、烟道口压力、熔池深度、壁面条件)，选择PISO计算方法，设定模型的计算初始条件以及开始数值模拟计算，并得到*.cas和*.dat结果文件；

其中Fluent设定过程如下：

5)将步骤4中的结果文件(*.cas、*.dat)导入Tecplot中，得到底吹炉不同截面的速度矢量云图和温度分布云图；

步骤5中得到的速度分布云图(如图3)和温度分布云图(如图4)。图3显示了底吹炉内各处流速分布情况，图中各处数字代表流速大小，这能直观的反应喷枪鼓入的射流对底吹炉内的搅拌效果。图4显示了底吹炉内温度分布情况，从图中的温度大小能了解到炉内哪些区域温度高，以便降温散热处理。

6)输出步骤5中的模拟图形数据，通过改变步骤1中的相关参数包括：喷枪数目、喷枪倾角、喷枪直径、喷枪入口流速、熔池深度等，重复步骤2、3、4、5，对比模拟结果的流速分布图和温度分布图，能直观的判断调整参数后的效果，由模拟结果的最优解直至得到底吹炉结构优化的最佳参数条件；

根据步骤6中得到的底吹炉结构优化结果，选择最优化的喷枪数目、喷枪倾角、喷枪直径、喷枪入口流速、熔池深度的参数，指导底吹炉工业生产。

本发明方法通过建立与实际体系一致的底吹炉模型，对工业底吹炉进行模拟，根据模拟结果，优化底吹炉结构参数，改善其运行条件，降低经验化调整底吹炉造成的损失，指导底吹炉工业生产。