高炉回旋区运动现象的数值模拟

作者:孙俊杰;毕传光;陈晨;张奥凯; 刊名:河南冶金 上传者:简校荣

【摘要】风口回旋区是高炉内产生还原气体及热量的主要区域,颗粒相和气相在风口回旋区内的相互作用非常剧烈.回旋区的形状和大小决定了炉内煤气流的一次分布,是炉况顺行的基础.本文为了从颗粒尺度来描述回旋区内部气体和颗粒的运动行为,建立和发展了离散单元法和流体计算力学耦合模型.耦合模型考虑了多个相间力的作用(包括曳力、虚假质量力、升力和压力梯度力),得到了不同时刻风口前焦炭颗粒的分布图、体积分数云图、速度矢量图等.这些图表明在鼓风速度130 m/s时,风口前有颗粒被吹开,形成了明显的空腔,风口前及其附近区域的颗粒在做回旋运动,可以断定回旋区已经形成,且在6 s时风口回旋区达到稳定.

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0前言高炉炼铁过程中,从炉顶分批次的装入铁矿石、焦炭和熔剂,从风口鼓入高速热风,在风口前形成回旋区。高炉的风口回旋区是一个强烈的气固两相流动(气体速度超过200m/s)以及热量交换(温度超过2000)区域,其内气体和颗粒的运动决定了还原气体的初始分布,有必要对回旋区内部气体和固体颗粒的运动现象做些研究。基于离散单元法(DiscreteElementMethod,DEM)[1,2]和CFD[3]的耦合模型目前被广泛应用于颗粒-流体的研究计算,这种模型能够描述存在流体和固体颗粒相互作用的过程工艺,包括流态化、气力输送、高炉炼铁、旋风分离器等。高炉数学模型的最新研究成果大多趋向于DEM-CFD数学模型[4,5]。在DEM-CFD方法中,采用CFD方法对流体部分进行计算,采用DEM方法对颗粒部分进行求解,将两者耦合即可解决流-固两相流动的数值仿真[6]。Zhu等[7]回顾了前人对离散单元及相关领域的研究,总结了文献中出现的颗粒之间的作用力、耦合DEM和CFD时使用的相间力和两个模型的耦合方法,分析了各个相间力的使用范围和优劣,详细的阐述了DEM和CFD耦合时的步骤。Zhou等[8]建立了仅把曳力作为相间力的DEM-CFD耦合模型,对高炉复杂的瞬变现象做了初步的模拟,分析了鼓风气体流量对回旋区处颗粒速度和所受力的影响。Natsui等[9]建立了三维的DEM-CFD耦合模型,在风口前画出一个圆形的区域作为固定的回旋区,焦炭颗粒在进入此圆形区域后消失,此方法目前被很多研究者用于风口回旋区的研究,可以看出实现回旋区内颗粒运动的数值模拟是很困难的。2012年Hilton等[10]使用DEM-CFD耦合模型在不同气体喷吹速度、不同颗粒形状、不同床层结构条件下对回旋区进行了研究,尽管得到了回旋区处的空腔,但并没有得到颗粒运动的回旋趋势。从以上文献可以看出,大部分的研究者在研究高炉或者熔化气化炉时都是人为的规定一个球形或者椭球形的区域作为回旋区的边界,此回旋区并不是计算得到的。这是由于DEM-CFD耦合模型在高炉或者熔化气化炉的应用还在初步发展阶段,很多的耦合模型只考虑曳力的影响,未考虑其它的相间力,比如虚假质量力、升力、压力梯度力等。本研究根据实际的高炉尺寸同比例缩放建立了高炉回旋区三维DEM-CFD数值模型,充分考虑气固相互作用时的多个相间力,对高炉风口回旋区内焦炭颗粒运动情况进行计算和分析。1数值模型描述1.1颗粒相和气相控制方程回旋区附近焦炭视为离散相,采用DEM计算,颗粒的平动和转动用牛顿第二运动定律描述[1],midvidt=kij=1(Fc,ij+Fd,ij)+Fg+Fp-f,i(1)Iid1dt=kij=1Tij(2)式(1),(2)中,mi,Ii,vi和i分别代表颗粒i的质量(kg)、转动惯量(kgm2)、平动速度(ms-1)和转动速度(rs-1);Fg代表i颗粒的重力(N),且;Fc,ij、Fd,ij和Ti,j分别为颗粒i和j间的接触力(N)、阻尼力(N)以及转矩(Nm);t为时间(s)。当颗粒i与ki个颗粒同时接触时,其所受颗粒间的作用力和力矩矢量需要叠加在一起,Fp-f,i是颗粒和气体的相间力(N),是颗粒相和气体相互作用力的合力[11,12]。气体作为连续相,采用类似于传统双流体模型方法进行描述。在与颗粒相互作用的情况下,其动量方程和能量方程的公式需要加入密度的修正[13,14],考虑到颗粒体积分数的影响,结合N-S方程[15,16],本耦合模型的连续相控制方程表达式如下,(f)t+(f)=0(3)(f)t+(f1)=-P-Fp-f+()+fg

参考文献

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