Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Разработка и совершенствование методов численного моделирования для решения актуальных задач металлургической теплотехники Крупенников, Сергей Алексеевич

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Крупенников, Сергей Алексеевич. Разработка и совершенствование методов численного моделирования для решения актуальных задач металлургической теплотехники : автореферат дис. ... доктора технических наук : 05.16.02 / Гос. ин-т стали и сплавов.- Москва, 1995.- 48 с.: ил. РГБ ОД, 9 95-4/685-4

Введение к работе

Актуальность работа. Метода математического моделирования являются в настоящее время одним из основных инструментов теплотехнических исследований в металлургии. Проведение вычислительных экспериментов с математической моделью, реализованной в виде ,программы для ЭВМ, обеспечивает сокращение сроков исследования и уменьшение его стоимости, позволяет прогнозировать поведение изучаемого объекта в различных, в том числе экстремальных ситуациях, создавая таким образом основу для теплотехнического обоснования проектных реаений при разработке Новых и совершенствовании существующих технологических процессов.

Преимущества методов математического моделирования могут -быть полностью реализованы при использовании теоретических моделей, основанных на анализе' структуры объекта и физической сущности протекающих в нем процессов. Уравнения математической модели выражают при этом фундаментальные теоретические положения: законы сохранения, закономерности явлений переноса, химической, кинетики и т.д. Такие модели обычно имеют форму систем нелинейных-дифференциальных и интегральных уравнений. Главными причина-1 ми нелинейности геплофизических моделей являются ."зависимость те-плофизических свойств тел от температуры; селективность радиационных свойств тел, т.е. зависимость спектральных степеней черноты от длины волны; сложный характер теплообмена, т.е. одновременное протекание процессов -радиационного, конвективного и кон-дуктивного теплообмена; наличие фазовых превращений, сопровождающих процессы переноса тепла; необходимость решения сопряженных задач, т.е. согласования решений, определяемых отдельными блоками математической модели.

После дискретизации объекта, исходные дифференциальные и .интегральные уравнения заменяются аппроксимирующей их системой нелинейных алгебраических уравнений, решение которой требует ис-. пользования численных методов и разработки достаточно сложных вычислительных алгоритмов, включающих в себя различные итерационные процедуры. Это выдвигает на первый план проблему обеспечения сходимости и повышения эффективности итерационных расчетных

- і -

схем. Один из возможных путей решения этой проблемы состоит в переходе от простых итерационных методов к более сложным, но значительно более эффктишым итерационным методам ньютоновского типа.

Реализация математических моделей, используемых в металлургической теплотехнике, в ряде случаев требует разработки новых численных методов, учитывающих специфику математического описания теплофизических процесов. Гак, постановка задачи теплопроводности при наличии фазовых превращений, возникающая, в частности, при анализе теплового взаимодействия твердых тел с расплавами, приводит ц. необходимости построения алгоритмов, учитывающих движение границы расчетной области. При- моделировании сопряженного теплообмена в нагревательных и' термических печах использование зональной методики для решения внешней задачи и метода конечных разностей для решения внутренней задачи приводит к специфической проблеме совместного решения систем зональных и разностных уравнений.

Расширение областей применения методов математического моделирования для теплотехнического прогноза и повышение уровня исследований приводит к такому возрастанию значения и сложности проблем, возникающих на этапе реализации модели, что вычислительная теплофизика, предметом которой является разработка и совершенствование алгоритмов численного решения нелинейных теплофизических задач, может рассматриваться как самостоятельное научное направление. Развитие этого направления создает основы для разработки современных методов решения практических задач металлургической теплотехники.

В связи с вышеизложенным целью работы является:

развитие методов вычислительной теплофизики применительно к двум классам задач: задачам теплопроводности с движущейся границей ( нагрев и плавление тел в расплавах,- диффузионное плавление стали ) и сопряженным задачам теплообмена в рабочем пространстве металллургических печей;

применение разработанных методов расчета для решения широкого круга практических задач металлургической теплотехники.

Научная новизна полученных результатов заключается в следукъ щем:

- разработаны алгоритма решения одномерной и двумерной за
дач теплопроводности с двидужвйся границей (задач Стефана) мето
дом выпрямления фронта, обеспечивающие монотонность разностных
схем и организацию итерационных процедур, учитывающих нелиней
ность систем разностных уравнений;

\ - разработана приближенная математическая модель нагрева тела в расплаве,- основанная на допущении о квазистационарном характере изменения температуры в затвердевшем слое и использованная для анализа зависимости длительности теплового периода от определяющих параметров;

разработан алгоритм решения обратной задачи Стефана методом последовательной функциональной аппроксимации;

рассмотрены возможные механизмы перехода твердой стали в-железоуглеродистый расплав и дано теоретическое и экспериментальное обоснование концепции диффузионного плавления;

проведен корректный анализ влияния скорости диффузионного плавления на интенсивность конвективной тепло- и массоотдачи от расплава к движущейся межфазной поверхности;

предложена количественная характеристика относительной роли тепло- и массообмена при диффузионном плавлении и показана ее связь с погрешностью расчета скорости плавления при пренебрежении влиянием тепло- или массообмена;

разработана математическая модель диффузионного плавления стали в железоуглеродистом расплаве и реализующие ее алгоритмы совместного решения задач теплопроводности и диффузии в области, с движущейся границей;

предложена модификация резольвентного зонального метода, позволяющая повысить эффективность расчета сложного теплообмена;

разработаны алгоритмы коррекции приближенных значений обобщенных угловых коэффициентов излучения, обеспечивающие соблюдение закона сохранения энергии и второго закона термодинамики при практическом применении зональных методов расчета радиацион-г ного теплообмена;

разработаны высокоэффективные алгоритмы решения сопряженных задач теплообмена в печах периодического и непрерывного действия, предусматривающие согласование решений.внешней и внутрен-

ней задач на этапе решения системы зональных уравнений.

Практическая значимость результатов работы заключается в том, что использование разработанных математических моделей позволило :

определить зависимость максимального размера куска стального лома от интенсивности продувки кислородно-конвертерной ванны;

определить рациональный режим ввода охладителей в стале-разливочный ковш с целью стабилизации температуры разливки стали в .формы и^сникении процента брака по дефектам отливок в условиях сталелитейного цеха Уфалейского завода по ремонту металлургического оборудования;

провести теплотехническое обоснование технологии производства литых биметаллических инструментов, разработанной на кафедре литейных процессов Ташкентского политехнического института;

'сформулировать практические рекомендации, внедрение которых обеспечило снижение энергоемкости силикотермического производства низкоуглеродастого феррохрома и. повышение стойкости ковшей в условиях цеха N8 Челябинского электрометаллургического комбината;

определить конструкцию свода и кессонированной футеровки реакционной шахты печи взвешенной плавки, обеспечивающую повышение стойкости футеровки и увеличение межремонтного периода в условиях плавильного цеха N1 Надеадинского металлургического завода Норильского горно-металлургического комбината;

создать математическое обеспечение системы непрерывного контроля температуры расплава печи ІШВ, внедрение которой в условиях плавильного цеха Медного, завода Норильского горно-металлургического комбината позволит существенно повысить продолжительность кампании работы печи;

разработать программу расчета предварительного нагрева футеровки сталеразливочных ковшей, предназначенную для определения рациональных режимов их высокотемпературной эксплуатации;

провести теплотехническое обоснование проекта танкопла-нильного агрегата, разработанного . на кафедре металлургия стали МИСиС в рамках выполнения Государственной программы утилизация и

- т -

конверсии бронетанкового вооружения и техники.

Описание разработанных математических моделей имеет не только прикладное, но и научно-методическое значение и может быть использовано специалистами теплотехнического профиля в качестве иллюстрации применения современных методов численного моделирова-. ния для решения широкого круга практических задач металлургической теплотехники.

Научно-методическое значение имеет также:

изложение общих принципов использования зональной методики для расчета сложного ( радиационно-конвективного, р'адиационно-кондуктивного ) теплообмена, описание различных модификаций зонального метода с указанием областей их применения;

рассмотрение особенностей использования резольвентного зонального метода для расчета радиационного и сложного теплообмена с учетом селективности радиационных, свойств тел;

описание различных алгоритмов решения сопряжённой задачи теплообмена в печах периодического действия, обоснование необходимости использования итерационных методов расчета и повышения эффективности вычислений;

' - рассмотрение особенностей постановки и решения сопряженной задачи теплообмена в печах непрерывного действия при нагреве термически тонких и термически массивных заготовок.

Апробация результатов работа. Материалы работа доложены и обсуждены на Республиканской конференции "Вопросы совершенствования тепловой работы и конструкции металлургических печей" ( Днепропетровск, 1981), Всесоюзных конференций "Тепло- и массообменнне процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов" (Я^анов, 1982,1986), Научно-технической конференции "Энергосберегающие технологии и теплоэнергетические проблемы оптимизации печного хозяйства металлургических предприятий"(миасс,1987). Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение стойкости футеровки металлургических агрегатов и вопросы торкретирования" (Липецк,1988), Республикано-кой научно-технической конференции "Теория и практика тепловой работы металлургических дачей" '(Днепропетровск,1988), Международной конференции "XLVI.Berg- vsnu huttenmanlscher Tag" (Фрайбергская горная академия,ФРГ,1995).

- в -

Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 научных ра-Оог, в том числе 30 статей.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, двух частей, 11 глав, заключения, библиографического списка из 229 названий идпжлокения; содержит 40S страниц машинописного текста, 83 иллюстрации и 9 таблиц.