（环境工程专业论文）复吹转炉炼钢的流场数值模拟.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 氧气转炉炼钢法是目前国内外主要的炼钢方法，其炼钢过程是一个高温多相反应体 系，在实验室条件下无法完整地再现实际过程。随着计算机的发展和c f d 技术的不断成 熟，计算机模拟和分析氧气转炉炼钢内部钢液的流动现象越来越受关注。 在c f d 相关软件的平台上进行结构空间建模和计算域网格划分，选择相关的数学模 型，为数值模拟提供了理论基础。 利用c f d 相关软件对2 0 0 t 的氧气转炉炼钢过程及不同工况下的顶吹、底吹和复吹转 炉进行模拟，并分析了它们的液面扰动和流场的分布情况。 模拟结果表明： ( 1 ) 转炉顶吹：高速的氧流与金属熔池间的摩擦使熔池的液面形成凹坑。排出气体 的较大速度对凹坑壁面有一种牵引作用，使沿凹坑周界形成一个“凸肩 。枪位和熔池内 的液体运动有着密切的影响。随着枪位的提高，液面的冲击深度变小，冲击面积而变大。 ( 2 ) 转炉底吹：当底部向钢液中吹入气体，气体进入熔池后上浮，在上浮过程中造 成钢液液面湍流扰动，存在着气、液两相之间的动量、质量的交换。被吹入的气体以射流 滞止点为起点，从下向上运动，由于钢液重力的作用，被吹入的气体分别向熔池中心和炉 壁方向扩散，因而形成以射流滞止点为中心的环状流，不断的搅拌钢液运动。对于2 0 0 t 的复吹，底吹供气强度为：0 0 3 n m 3 t m i n - 一o 1 3 n m 3 t m i n 。 ( 3 ) 转炉复吹：顶吹在转炉复吹中起到了主导作用，由于顶吹存在一些动力学条件差 的“死区，因此，通过底部元向转炉熔池内吹入适量气体，用来强化转炉熔池的搅拌， 促进钢液的平衡。转炉复吹利用底吹的气流克服顶吹氧流对溶池搅拌能力不足的弱点。因 而转炉复吹具有比顶吹、底吹更好的技术经济指标。 多孔喷枪、氧枪枪位对转炉煤气的产生量都有一定的影响，转炉煤气对钢厂具有很大 的经济效益。 关键词：氧气转炉炼钢法，c f d ，液面扰动，流场的分布，转炉复吹，转炉煤气 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eo x y g e nc o n v e r t e rs t e e l m a k i n gp r o c e s si sam a i ns t e e l m a k i n gm e t h o da td o m e s t i ca n d f i o r e i 班，a n di ti sah i g l lt e m p e r a t u r em u l t i p h a s er e a c t i o ns y s t e m ，w h i c h i su n a b l et or e a p p e a rt h e a c t u a lp r o c e s sc o m p l e t e l yu n d e rt h el a b o r a t o r yc o n d i t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r s a n dt h eu n c e a s i n g l ym a t u r eo fc f dt e c h n o l o g y , t h ef l o wp h e n o m e n o no fs t e e ll i q u i di nt h e o x y g e nc o n v e r t e rs t e e l m a k i n gp r o c e s sb y t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o na n a l y z i n gw a sa t t r a c t e dm o r e a n dm o r ea t t e n t i o n o nt h ep l a t f r o mo fr e l e v a n ts o f t w a r eo fc f d ，t h es p a c es t r u c t u r em o d e la n dc a l c u l a t i o n d o m a i nm e s h i n ga r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h er e l e v a n tm a t h e m a t i c a lm o d e la r ec h o o s e n ，w h i c hi s p r o v i d e dt h e o r e t i c a lb a s i sf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h i sp a p e rs i m u l a t e d2 0 0 to x y g e nc o n v e r t e rs t e e l m a k i n gp r o c e s sb yr e l a t i v es o f t w a r eo f c f d ，a n di t st o p - b l o w i n g ，b o t t o m - b l o w i n g , a n dc o m b i n e d - b l o w i n gi nt h ed i f f e r e n to p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，r e s p e c t i v e l y t h e nt h el i q u i ds u r f a c ed i s t u r b a n c ea n df l o wf i e l dd i s t r i b u t i o nw e r e a n a l y z e d t h e r e s u l t ss h o wt h a t ： ( 1 ) t o p - b l o w i n gc o n v e r t e r ：t h ef r i c t i o nb e t w e e nt h eh i g hs p e e do fo x y g e ns t r e a m i n ga n d m e t a lm o l t e np o o lf o r m e das c a l l o po nt h el i q u i ds u r f a c eo fm e t a lm o l t e np 0 0 1 t h eb i gv e l o c i t y o fe x h a u s tg a s e sh a dak i n do ft r a c t i o ni m p a c tf o rt h el i q u i ds u r f a c eo fs c a l l o p ，w h i c hf o r m e da c o n v e xs h o u l d e r ”a l o n gt h es u r r o u n d i n go fs c a l l o p m e a n w h i l e , g u np o s i t i o nw a sc l o s e l y i m p a c t e dt h ef l o wm o v e m e n ti nm e t a lm o l t e np 0 0 1 a l o n gw i t ht h eg u np o s i t i o ni m p r o v e d ，t h e l i q u i ds u r f a c eh a sas m a l l e ri m p a c td e p t h ，a n dt h ei m p a c ta r e aw a sl a r g e r ( 2 ) b o t t o m - b l o w i n gc o n v e r t e r ：w h e nt h eg a sw a sb l o w nt os t e e ll i q u i df r o mb o t t o m ，i tw a s f l o a t e da f t e ri n t ot h em e t a lm o l t e np o o li m m e d i a t e l y , a n dt h ef l o t a t i o np r o c e s sd i s t u r b a n c et h e f l o wo fl i q u i ds t e e ls u r f a c e ，w h i l et h e r ei se x c h a n g eo fm o m e n t u ma n dq u a l i t yb e t w e e nt h eg a s a n dl i q u i dp h a s e g a sm i x i n gd i r e c t i o ni ss t a r t i n gp o i n to fb l o w ng a s ，a n dm o v ef r o mb o t t o mt o u p f o rt h eg r a v i t yo ft h el i q u i ds t e e l ，t h eg a sd i f f u s e dd i r e c tt ot h ep o o lc e n t r ea n dc o n v e r t e r w a l l ，w h i c hr e s u l t e d i n aa n n u l a rf l o wt ot h ec e n t r eo fs t a g n a t i o n p o i n t f o r 2 0 0 t c o m b i n e d - b l o w i n g c o n v e r t e r , t h e b o t t o m b l o w i n gg a si n t e n s i t y a r e 0 0 3 n m 3 t m i n 一0 13 n m 3 t m i n ( 3 ) c o m b i n e d - b l o w i n gc o n v e r t e r ：t o p - b l o w np l a y e dal e a d i n gr o l ei nc o m b i n e d - b l o w i n g c o n v e r t e r t h e r ew e r es o m e ”d e a dz o n e ”w i t hp o o rd y n a m i c sc o n d i t i o n s ，t h e r e f o r e ，t h er i g h t a m o u n to fg a s e s ，w h i c hw e r eb l o w nt ot h ec o n v e r t e rt h r o u g ht h eb o t t o m ，c o u l de n h a n c et h e m i x i n go fc o n v e r t e rp o o l ，a n dp r o m o t et h eb a l a n c eo fl i q u i ds t e e l t h ec o m b i n e d b l o w i n g c o n v e r t e ru s e db o t t o mb l o w i n gt oo v e r c o m et h ew e a k n e s so ft o p - b l o w nt h a to x y g e nf l o w s t i r r e da b i l i t yi si n s u f f i c i e n t t h e r e f o r e ，t h ec o m b i n e d - b l o w i n gc o n v e r t e ra r eb e t t e rt h a n t o p - b l o w na n db o t t o m b l o w i n gc o n v e r t e ri nt e c h n i c a la n de c o n o m i ci n d e x e s p o r o u sg u n 、g u np o s i t i o na f f e c tc o n v e r t e rg a sd i s c h a r g e ，c o n v e r t e rg a sb r i n gg r e a t e c o n o m i cb e n e f i t sf o rs t e e lw o r k s k e y w o r d s ：o x y g e ns t e e l m a k i n gc o n v e r t e r , c f d ，l i q u i ds u r f a c ed i s t u r b a n c e ，f l o wf i e l d d i s t r i b u t i o n ，c o m b i n e d - b l o w i n gc o n v e r t e r , c o n v e r t e rg a s 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 第一章绪论 1 1 转炉炼钢发展现状 根据对2 0 1 0 年钢材消费量的预测【l 】，工业发达国家年均增长量为o 7 ，发展中国家 将达到3 8 ，而太平洋地区的增长为4 6 。进入2 1 世纪，面对机遇和挑战，炼钢企业 必须努力发展高效生产工艺，降到成本，提高产品质量和减轻对环境的污染，才有可能立 于不败之地。目前，氧气转炉炼钢( o x y g e nc o n v e r t e rs t e e l m a k i n g ) 是当今国内外主要的 炼钢方法【l 巧】，2 0 世纪4 0 年代初以来，在世界各国得到广泛的应用。转炉炼钢主要是以铁 水、废钢、铁合金为原料，不借助外加能源，主要依靠钢液本身的物理热和钢液组分间化 学反应热而在转炉中完成炼钢过程。 1 1 1 世界转炉炼钢发展现状 氧气转炉炼钢法是当前国内外主要的炼钢方法，它的发展大约分为以下几个阶段【6 j ： 第一阶段：1 8 5 6 年英国的贝塞麦( h b e s s e m e r ) 发明了底吹酸性转炉炼钢法，以后被称 为贝塞麦转炉炼钢法。这种方法是近代炼钢法的开端。贝塞麦法依靠鼓风( 风压达2 5 大 气压) 中的氧，使生铁的杂质( 主要为硅、锰) 和少量铁氧化，并依靠氧化放出的热量使 钢水温度升高到出钢的要求，从此开创了大规模炼钢的新时代。但由于此法不能去除硫和 磷因而其发展受到了限制。 第二阶段：1 8 7 9 年，英国的托马斯( s g t h o m a s ) 1 造了碱性转炉炼钢法，它使用了带 有碱性炉衬的转炉来处理高磷生铁，是2 0 世纪上半叶西欧主要的炼钢方法。原料生铁中 含磷1 8 - 2 2 ，是冶炼过程中主要的发热元素。托马斯用碱性炉衬，炉中造碱性渣，能 去除磷和硫。磷主要是在冶炼末期进入渣中的。虽然碱性转炉炼钢法可以大量生产钢，但 它对生铁成分有着较严格的要求，而且通常不能多用废钢。 第三阶段：早在1 8 4 6 年，英国贝塞麦( h b e s s e m e r ) 就提出了利用纯0 2 炼钢的设想， 因为当时工业制氧成本太高，技术水平低，氧气炼钢不能实现。1 9 2 4 1 9 2 5 年问，德国在 空气转炉上进行了富氧鼓风炼钢的试验，结果表明：随着鼓入空气中氧含量的增多，钢的 质量有所改善。当鼓入空气中富氧的浓度含量超过4 0 时，炉底的风眼砖严重损坏，因 此又开展了用c 0 2 + 0 2 或者c 0 2 + h 2 0 + 0 2 ( 汽) 等混合气体的吹炼试验，但效果都不理想， 没法投入工业的生产。 第四阶段：1 9 5 2 年，奥地利的l i n z 和d o n a w i t z 城出现了顶吹氧气转炉炼钢法，所以 称之为l d 法【7 1 。而在美国一般称为b o f 或b o p , 在英国、加拿大等等，称做b o s 。1 9 5 2 年顶吹氧气转炉炼钢法成为划时代的新炼钢法而在世界范围内迅速发展起来，逐步取代平 炉炼钢法。但项吹转炉炼钢法的主要搅拌动力仍然是碳氧沸腾，吹炼末期脱碳速度变慢， 熔池搅拌强度不够。 第五阶段：2 0 世纪7 0 年代以后，国外许多国家着手研究结合底吹和顶吹两种方法优 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 点【8 】的顶底复吹冶炼法。1 9 7 8 年，卢森堡阿尔贝德公司在贝尔瓦厂1 8 0 t 转炉上采用了顶 底复吹法，即l b e 法。这是工业生产中使用复合吹炼法的开始。 1 1 2 我国转炉炼钢发展历史 建国初我国炼钢设备以平炉为主，有少量的电炉和一些小型空气侧吹转炉【9 。1 。1 9 6 2 年将我国首钢试验厂空气侧吹转炉炼钢改建成为3 t 氧气顶吹转炉炼钢，开始了工业性的 试验。在试验取得成功基础上，我国第一个氧气顶吹转炉炼钢的车间( 2 x 3 0 t ) 在首钢建 成【1 2 1 ，于1 9 6 4 年在首钢投入生产。以后，又在上海、杭州、唐山等改建了一批3 5 5 t 的 小型氧气顶吹转炉【1 3 1 。1 9 6 6 年上钢一厂把原有的一个空气侧吹转炉炼钢车间改造成3 x 3 0 t 的氧气顶吹转炉炼钢车间，并首次采用了先进的烟气净化回收系统，于当年8 月投入生产。 这些都为我国以后的氧气顶吹转炉炼钢技术的发展提供了宝贵经验。此后，我国原有的一 些空气侧吹转炉车间逐渐改建成中小型氧气顶吹炼钢车间，并新建了一批中、大型氧气项 吹转炉车间。小型顶吹转炉有济南钢厂1 3 t 转炉、邯郸钢厂1 5 t 转炉、天津钢厂2 0 t 转炉、 太原钢铁公司引进的5 0 t 转炉、包头钢铁公司5 0 t 转炉、武钢5 0 t 转炉、马鞍山钢厂5 0 t 转炉等；中型的有攀枝花钢铁公司1 2 0 t 转炉、鞍钢1 5 0 t 和1 8 0 t 转炉、本溪钢铁公司1 2 0 t 转炉等；2 0 世纪8 0 年代宝钢从日本引进建成具7 0 年代末技术水平的3 0 0 t 大型转炉3 座、 首钢购入二手设备建成2 1 0 t 转炉车间；9 0 年代宝钢又建成2 5 0 t 转炉车间，武钢引进2 5 0 转炉，唐钢建成1 5 0 转炉车间，重钢和首钢又建成8 0 t 转炉炼钢车间；许多平炉车间改建 成氧气顶吹转炉车间等。到1 9 9 8 年我国氧气顶吹转炉共有2 2 1 座，其中l o o t 以下的转炉 有1 8 8 座，1 0 0 2 0 0 t 的转炉有2 3 座，2 0 0 t 以上的转炉有l o 座，最大公称吨位为3 0 0 t ， 从此，我国转炉炼钢进入了高速发展期。 1 9 9 9 年我国的转炉钢产量达到1 0 2 4 7 2 万t ，突破1 亿t ，占全国钢产量比8 2 7 t 1 4 】。 2 0 0 0 年以来，我国转炉钢产量处于增长态势，各种炼钢法产钢量和转炉炼钢比例变化【l 5 】 情况见表1 1 。从表1 1 得知，我国的转炉炼钢产量由2 0 0 0 年的1 0 5 8 4 3 万吨增长到3 7 6 7 1 4 万吨，年均增幅2 3 5 6 。 表1 12 0 0 0 - , 2 0 0 6 年我国各炼钢法的产量和转炉钢比例变化单位：1 0 4 吨 t a b l e1 1t h e p r o d u c t i o no fd i f f e r e n ts t e e l m a k i n gm e t h o da n d t h ec h a n g e sr a t i oo f c o n v e r t e rs t e e l m a k i n gi nc h i n ai n2 0 0 0 - - 2 0 0 6u n i t ：1 0 4 t 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 由于氧气转炉炼钢吹炼速度快，生产率高，质量好，品种多，原料适应性强，投资少， 建厂快，热效率高，可使用约2 0 一3 0 的废钢以及便于自动化控制，又克服了空气吹炼 时钢质量差、品种少的缺点，使它成为冶金史上发展最迅速的新技术【l6 1 。 1 2 氧气转炉炼钢数值模拟综述 冶炼过程与流体流动和传输过程密切相关，且多为多相、高温、非稳态、未平衡、反 应器几何结构复杂、外来因素干扰等等【r 7 1 ，使得其中的许多过程和现象迄今为止了解很 少，一些冶金的反应器迄今还被称为“黑匣子 。在c f d 模拟研究方法被引入冶炼过程 的研究以前，冶金工业的过程研究主要依靠现场观测和实验室研究，在很大程度上要依靠 长期积累的经验，这些方法至今仍具有重要的实用意义，但随着计算机和冶炼技术的不断 发展，同时对冶金工艺优化的要求越来越高，传统的实验研究方法已经不能适应当今社会 新形势发展的需要，因此利用计算机硬件和c f d 服务性软件进行数学模拟已经成为今后 冶金过程研究的重要手段之一【1 8 。2 0 】，所以，冶金工程领域也必将像所有工程领域那样，将 越来越多地使用和依靠计算机和数值模拟技术。 早在2 0 世纪7 0 年代，国际主要冶金学刊就开辟了专栏或经常刊登冶金过程的c f d 数值模拟的研究论文。冶金学领域中最早发表c f d 数值模拟研究工作的学者【2 1 2 2 】是美国 麻省理工学院舍克里教授、加拿大蒙格尔大学格斯里教授等和他们的学生们。9 0 年代国 外c f d 商业性软件进入中国市场，1 9 8 1 年到2 0 0 5 年间，何庆林、朱苗勇等【2 3 。2 8 】十来人 从事计算流体力学和数值模拟的教学工作和研究工作，他们的研究成果主要有：钢包吹氩 下钢液的循环流动和混合过程的数值模拟；中间包内的钢液流动及其控制的数值模拟等 等。李伟、催荣峰、焦兴利等【2 9 引】模拟钢水熔池内在转炉低吹气体作用下的流动状况，对 转炉底吹喷嘴的优化布置进行数值模拟研究，优化后有效地减少底吹气体消耗，提高熔池 搅拌功能。 文科3 2 】对碱性氧气转炉炼钢( b o f ) 、氩氧脱碳( a o d ) 过程进行了数值模拟，展示 了在碱性氧气转炉炼钢、氩氧脱碳生产过程中磨损的顶枪喷嘴对氧气射流的影响和基本的 流体动力学现象。 李军成【3 3 】利用f l u e i l t 软件对双联复吹转炉内气液两相流动进行数值模拟计算，分析 研究了双联转炉熔池内气液两相的相互作用及混合效果。文献【m , 3 5 】对转炉用氧气射流进行 了两维两相流数值模拟，对射流凹坑作了分析。 转炉冶炼过程数值模拟研究的另一方面是研究转炉炉壳变形和温度场的关系，该文献 【3 6 】分析和获得某钢厂8 0 t 转炉炉壳温度场以及不同温度的条件下炉壳热应力与石棉板厚 度之间的关系，这研究对实际生产产生了很大的作用。文献【3 7 】利用应用有限元数值分析 了转炉炉壳应力和温度场的关系，分析出了炉壳工作中承受的热应力主要是由热膨胀和温 度不均引起的，确定部件的温度场是定量分析热应力的首要前提，求解热应力的基础是温 度场。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 1 3 氧气转炉复吹 由于转炉顶吹的熔池存在死去其对流和湍流作用甚弱，这一死区靠提高顶吹气体流量 无法消除，因此通过底吹来改善熔池的搅拌，从而氧气顶吹转炉将逐渐被顶底复吹所取代。 氧气转炉顶底复吹吹炼是2 0 世纪7 0 年代中后期开发的炼钢新工艺。它具有以下特点：显 著降低了钢水中氧含量和熔渣中t f e 含量；提高吹炼终点钢水余锰含量；提高了脱磷、脱 硫效率；吹炼平稳减少了喷溅；更适宜吹炼低碳钢种。 氧气射流通过高温炉气冲击金属熔池，引起熔池内金属液的运动，起到了机械搅拌作 用。搅拌作用强且均匀，则化学反应速度快，冶炼过程平稳，冶炼效率高。搅拌作用的强 弱和均匀程度与氧射流对熔池的冲击状况与熔池运动情况有关。一般以熔池中产生的凹坑 深度和凹坑面积来衡量。 复吹转炉的底部供气，可以增加熔池的搅拌力，还可促进熔池脱碳。底吹供气量的多 少与气体种类、炉容大小和冶炼的钢种等因素有关。 1 4 本论文研究的目的、主要内容和方法 1 4 1 研究的目的和意义 氧气转炉炼钢过程是一个复杂的高温多相反应体系，在实验室条件下无法完整地再现 实际过程，使用数值模拟进行分析，可以对氧气转炉熔池内钢液的液面扰动特征、钢液速 度分布进行直观的表示，通常采用数值模拟研究来对工艺过程个参数的变化规律及它们之 间的定量关系，并进行比较和选择。所以，通常采用数值模拟方法和物理模拟方法相结合， 来研究转炉炼钢过程熔池内的流体流动现象。 用数值模拟的方法对氧气转炉炉内的流场进行模拟，一定程度上能够揭示转炉炼钢湍 流过程中的流动情况，可以直接用于指导转炉炼钢过程的操作和转炉钢包的设计及优化。 通过本课题的研究，能够对转炉炼钢湍流过程的流动现象有一个较深入的研究，对于2 0 0 t 的转炉复吹，研究出其低吹的供气强度范围，能对实际的生产过程有指导作用。 1 4 2 研究内容 以2 0 0 t 氧气复吹转炉炼钢过程建立数学模型，进行如下研究： ( 1 ) 数值模拟首先进行空间结构模型和数学模型，确定空间结构尺寸，几何建模和 网格划分。在c f d 相关软件的平台上进行结构空间建模，用软件生成仿真计算的模型和 空间网格，并建立数学模型。 ( 2 ) 氧气转炉炼钢钢液液面扰动规律的研究 在氧气复吹转炉炼钢计算模型的基础上分析了顶吹、底吹和复吹的液面扰动情况，并 分析不同工况下的液面扰动规律。 ( 3 ) 氧气转炉炼钢流场分布规律的研究 对复吹的底吹不同工况下的流场进行研究，并通过流场参数来分析转炉内的搅拌情 况，来确定其供气强度。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 ( 4 ) 分析了多孔喷枪、氧枪枪位对转炉煤气的产生量都有一定的影响，并分析了转 炉煤气所产生的经济效益。 1 4 3 研究方法 由于氧气转炉炼钢实际冶炼情况的复杂性，对现场炼钢过程进行测试是比较困难的， 在现有技术条件下甚至是不可能的，常用的研究方法是理论分析与数值模拟相结合。 ( 1 ) 理论分析方法 对课题中涉及的氧气转炉模型、多相流理论以及结构网格进行了深入学习。 ( 2 ) 数值模拟方法 应用c f d 相关软件对转炉炼钢过程模型进行数值模拟。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章模拟c f d 理论的介绍 计算流体动力学rc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是用电子计算机和离散化 的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析是近代流体力学、数值数学和计算机科 学结合的产物。它以电子计算机为工具，通过数值的方法求解流体力学控制方程，得到流 场的离散的定量描述，并以此预测流体运动规律的学科。它可以看成在流动基本方程( 质 量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程) 控制下对流动的数值模拟。 计算流体力学是目前国际上一个强有力的研究领域，是进行传热、传质、动量传递及 燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于航天设计、汽车设计、生物 医学工业、化工处理工业、涡轮机设计、半导体设计等诸多工程领域。计算流体力学、计 算燃烧学的原理和相关的计算传热学是用数值方法求解非线性联立的质量、能量、动量、 组分和自定义的标量的微分方程组，求解结果能预报流动、传质、传热、燃烧等过程的细 节，并成为过程装置优化和放大定量设计的有力工具。 2 1c f d 的基础知识 2 1 1c f d 相关软件介绍 随着c f d 技术的发展，以c f d 为基础的计算机仿真软件纷纷问世。据不完全统计， 7 0 年代以来进入市场的c f d 商业软件已不下三十余种【3 引。目前应用的计算流体力学 ( c f d ) 软件主要有英国的p h o e n i c s ，s t a r c d ，c f x ，美国的f l u e n t 等。 p h o e n i c s 3 9 舯】是世界上第一套计算流体与计算传热学商业软件，它是国际计算流 体与计算传热的主要创始人、英国皇家工程院院士d b s p a l d i n g 教授及4 0 多位博士2 0 多年心血的典范之作。可说是c f d 商用软件的鼻祖。近年来，p h o e n i c s 软件在功能 上与方法方面做了较大的改进，包括纳入拼片式多网格及细密网格嵌入技术，同位网格及 非结构化网格技术：在湍流模型方面开发了通用的零方程、r n gk 模型、低r e y n o l d sk - 模型等。应用这一软件可计算大量的实际工程问题，其中包括：能源动力、多相流、航空 航天、传热传质、燃烧、爆炸等等。 c f x 是第一个发展和使用全隐式多网格耦合求解技术的商业软件，该求解技术避免 了传统算法“假设压力项一求解一修正压力项”反复迭代的过程，而同时求解连续方程和动 量方程，加上c f x 多网格技术，使它的计算稳定性和速度比传统的方法提高了许多。该 软件采用有限体积离散化法，具有构造非结构化的多块化的网格的能力，在适体坐标系上 对控制方程进行离散，变量的布置采用同位网格方式。对流项的离散格式包括隐式、上风、 高次上分、q u i c k 、c o n d i f 、t v d m u s c l 、c c c t 等等。软件可计算可压缩及不可压缩 流动、耦合传热问题、化学反应、多相流、气体燃烧等问题。c f x 一直将丰富的物理模 型、精确的计算结果、强大的用户扩展性作为其发展的基本目的。它并以其在这些方面有 卓越的成就，引领着c f d 技术的不断向前发展。目前，c f x 已广泛应用于旋转机械、冶 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 金、环保能源、石油化工、航空航天、火灾安全、机械制造水处理等领域，为复杂工程解 决了大量的实际问题。 美国f l u e n ti n c 于1 9 8 3 年推出f l u e n t 软件，它是继p h o e n i c s 软件之后的第 二个投放市场的基于有限体积法的软件。用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂 流动。f l u e n t 软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法， 拥有商用软件中最多的算法。f l u e n t 软件以完全非结构化网格的有限体积法为基 础，而且具有以网格节点和网格单元为基础的梯度算法。f l u e n t 软件还拥有多种以 解的网格的自适应、动态自适应为基础的技术以及基于动网格与网格动态自适应相结合的 技术，其中，动变形网格技术主要用于解决边界运动的问题。它拥有了k - 模型、 s p a l a r t - a l l m a r a s 模型、r s m 模型组、k - 模型组、l e s 模型组等大量模型。f l u e n t 广泛应用于传热与相变、多相流、旋转机械、动变形网格、化学反应与燃烧噪声、燃料 电池等方面有。 2 1 2 c f d 的概念 c f d 是计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 的简称，是建立在经典流体动 力学与数值计算方法基础之上的- - f 7 新型独立学科，用电子计算机和离散化的数值方法对 流体力学问题进行数值模拟和分析。c f d 的基本思想为：把流体运动控制方程中的积分、 微分项近似地表示为离散代数形式，使得积分或微分形式控制方程转化为代数的方程组； 然后，通过电子计算机求解这些代数方程组，从而得到流场在离散的时间空间点上的数 值解( n u m e r i c a ls o l u t i o n ) 【4 1 4 3 1 。c f d 可以看做是在流动质量守恒方程、能量守恒方程、 动量守恒方程控制下对流动的数值模拟。通过c f d 数值模拟，可以得到非常复杂问题的 流场内各个位置上的基本物理量( 例如：速度、压力、温度、浓度等) 的分布，以及这些 物理量随时间的变化情况等。 研究流体流动问题的完整体系包含了c f d 数值模拟方法与试验测量方法、传统的理 论分析方法。理论分析方法能为很多复杂的流动问题提供分析解，正是分析解的结果具有 普遍性，各种影响因素清晰可见，同时它为检验数学模拟的准确度提供了理论基础，但是， 它通常要求进行抽象和简化对计算对象，才有可能得到理论解。 试验测量方法最可靠的数据资料往往要由实验测量得到，他是理论分析和数值方法的 基础，其重要性不能低估，但是大多数情况下，由于试验受到测量精度、模型尺寸的限制， 往往很难通过试验方法得到正确的结果。另外试验还会遇到人力和物力的巨大消耗、经费 投入等许多困难。而c f d 方法恰恰克服了前两种方法的缺点，这种方法可以对全过程直 接模拟，并能得到装置内各种变量的连续分布信息，就可清晰地看到流场中速度、温度场、 压力等的分布特征，可形象的再现工程流动情景。c f d 方法迅速、廉价、灵活、直观并 易于理解，这些都是物理实验所不能实现的。 自上世纪7 0 年代应用c f d 技术解决工程中的流动问题以来，随着计算机的快速发展、 先进的数值模拟计算技术的出现以及各种湍流模型的提出，c f d 技术已广泛应用于水利 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 工程、环境工程、食品工程、土木工程、冶金工程等领域，c f d 技术已成为产品研发、 优化设计、方案评比等工程中准确、快捷和经济的新手段州。 2 1 3c f d 的应用领域 近十多年来，c f d 有了很大的发展，替代了经典流体力学中的一些近似计算法和图 解法；过去的一些典型教学实验，如r e y n o l d s 实验，现在完全可以借助c f d 手段在计算 机上实现。所有涉及流体流动、热交换、分子输运等现象的问题，几乎都可以通过计算流 体力学的方法进行分析和模拟。c f d 不仅作为一个研究工具，而且还作为设计工具在水 利工程、土木工程、环境工程、食品工程、海洋结构工程、工业制造等领域发挥作用。典 型的应用场合及相关的工程问题包括： 水轮机、风机和泵等流体机械内部的流体流动 飞机和航天飞机等飞行器的设计 汽车流线外形对性能的影响 洪水波及河口潮流计算 风载荷对高层建筑物稳定性及结构性能的影响 温室及室内的空气流动及环境分析 电子元件的冷却 换热器性能分析及换热器片形状的选取 河流中污染物的扩散 汽车尾气对街道环境的污染 食品中细菌的运移 对这些问题的处理，过去主要借助于基本的理论分析和大量的物理模型实验，而现在 大多采用c f d 的方式加以分析和解决。 2 1 4c f d 模拟的步骤 采用c f d 方法对流体流动进行数值模拟，分为以下几个步骤： ( 1 ) 建立数学模型，建立的模型能反映工程实际问题或物理问题的本质。建立数学 模型是进行模拟的第一步。只有建立了正确完善的数学模型才能对数值模拟有意义。流体 的基本控制方程包括连续性( 质量守恒) 方程、能量方程、动量方程，以及这些方程相应 的定解条件。 ( 2 ) 寻求高效率、高准确度的计算方法。建立有针对性的控制方程数值离散化方法 ( 例如：有限体积法、有限元法、有限差分法) ，以及还包括坐标的建立，边界条件的处 理等等。这些可说是c f d 步骤中很重要的内容。 ( 3 ) 编制计算程序和进行模拟计算。这一步是整个工作中花时间最多的部分。包括 网格的划分、初始条件和边界条件的确定、控制参数设定等。因为求解问题的复杂性，数 值方法在理论上不是绝对完美的，所以需要通过实验加以验证。 ( 4 ) 显示计算结果。计算结果一般通过图表等方式显示。 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 2 2 离散化方法 在对指定问题进行c f d 计算前，首先要对空间上连续的计算区域进行划分，将其计 算区划分为许多互不重复的子区域，并确定子域的节点，从而生成网格。在每个网格点或 者控制体上，流体运动方程中的积分或者微分项被近似的表示为离散分布的因变量和自变 量的代数函数，然后将偏微分格式的控制方程转化为各个节点上的代数方程组。网格是离 散的基础。由于推导离散方程的方法和因变量在节点之间的分布假设不同，将离散化方法 分为有限体积法、有限差分法、有限元法等不同方法。 2 2 1 有限体积法 有限体积法( f v m ) 即控制体积法，将计算区域划分为许多互不重叠的网格，即控制 体积，然后将偏微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程。其中的未知数是 网格点上的因变量的数值。为求出控制体积的积分，必须假定值在网格点之间的变化规律， 即假设值的分段的分布的分布剖面。 有限体积法是近年发展非常迅速的一种离散化方法，其特点是计算效率高。目前在 c f d 领域中得到了广泛应用，大多数商用c f d 软件都采用这种方法。 2 2 2 有限元法 有限元法( f i m t ed 锄e n tm e t h o d ) 是一种常用的、高效能计算方法。有限元法在早期 是以变分原理为基础发展起来的。所以它广泛地应用于以泊松方程和拉普拉斯方程所描述 的各类物理场中。 有限元法是计算域被离散剖分为有限个相互不重叠且连接的单元，并在其每个单元内 选择基函数，单元中的真解用单元基函数的线形组合来逼近，其中，每个单元基函数组成 整个计算域上总体的基函数。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问 题。有限元法因求解速度较有限差分法和有限体积法慢，因此，在商用c f d 软件中应用 并不多。 2 2 3 有限差分法 在计算机数值模拟中，有限差分方法( f d m ) 是最早采用的方法，至今仍被广泛应用。 该方法是求解域被划分为差分的网格，连续的求解域被有限个网格节点代替。有限差分法 就是对于一个偏微分方程，如果把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的代数差商代 替进行离散，则可以用组代数方程近似地代替这个偏微分方程，进而得到数值解。该方法 是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法，数学概念直观，表达简单，是发展 较早且比较成熟的数值方法，较多的用于求解双曲线型和抛物线型问题。 2 3 离散格式 在c f d 应用领域里，有限体积法的离散控制方程被越来越广泛的使用，该方法具有 计算效率高的优点。它的思路是非线性的偏微分方程被转化为网格单元上的线性方程，然 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 后求解线性化的方程组来得出流场的解。在使用有限体积法建立离散化的方程时，很重要 一步是将控制体积晃面上的物理量及其导数通过节点物理量插值求出。引入插值方式的目 的是为了建立离散化的方程，不同的插值方式有不同的离散结果。在离散过程中，常用的 离散格式包括中心差分格式、一阶迎风格式、乘方格式、混合格式、指数格式、二阶迎风 格式、q u i c k 格式等。表2 1 给出了常见的几种离散格式的比较。 表2 1 常见离散格式的比较 t a b l e2 1c o m m o nd i s c r e t i z a t i o ns c h e m ec o m p a r i s o n 2 4 湍流模型介绍 湍流流动现象是自然界中常见的流动现象，在大多数工程问题中，流体的流动往往处 于湍流状态，湍流特征在工程中占有重要的地位，因此湍流研究一直被研究者高度重视。 常见的湍流模型包括直接数值模拟( d n s ) 、大涡模拟法( l e s ) 和k 双方程模型。目前在 工程上k - 双方程模型使用最广泛。 2 4 1 直接数值模拟( d n s ) 直接数值模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，简称d n s ) 方法就是一个模拟计算流体 力学中的n a v i e r s t o k e s 方程进行数值求解无任何湍流模型，这意味着整个范围的空间和 时间尺度湍流时，必须同时解决。d n s 的最大优势是无需对湍流流动作任何近似，理论 上可以得到相对准确的技术结果f 4 5 , 4 6 但d n s 对内存空间及计算速度的要求非常高，目前 还无法用于真正意义上的工程计算但大量的探索性工作正在进行之中【4 7 4 引。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 2 4 2 大涡模拟法( l e s ) 大涡模拟法( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，简称l e s ) 就是用瞬时的n a v i e r - s t o k e s 方程直接 模拟湍流流中的大尺度涡，其中更小的涡流被滤掉并用亚格点尺度模型来建模，而更大的 能量的涡流则被模拟出来。该方法通常比r a n s 模型需要更细化的网格，但是比d n s 解 所需要的网格粗的多。 2 4 3k - s 双方程模型 标准k 一占两方程模型由l a u n d e r 和s p a l d i n g l 4 卿于1 9 7 2 年提出的，该模型本身具有的 稳定性、经济性和较高的计算精度使之成为湍流模型中应用最广、最为人熟知的一个模型。 标准k s 两方程模型虽然得到最广泛的使用，但用于强旋流、弯曲壁面流动或弯曲流线 流动时，会产生一定的失真例。 r n g k s 模型是由y a k h o t 及o r z a g i 5 1 1 提出的，在形式上类似于标准k 一占模型，但 在计算功能上强于标准k 一占模型，其主要变化有：该模型中包含了强旋流效应，因此提 高了强旋转流动的计算精度；该模型不仅可以用用户定义的常数，还包含了计算湍流 p r a n d t l 数的解析公式；在对近壁区进行适当的处理后，r n g k s 模型可以计算低雷诺数 效应，而标准k s 模型是一个高雷诺数模型，而在占方程中增加了一个附加项，使得在 计算速度梯度较大的流场时精度更高。从而，r n g k s 模型可以更好的处理流线弯曲程 度较大和高应变率的流动。 与标准k 一占方程模型相比较，r e a l i z a b l e k 一占模型的改进措施主要有【5 2 1 ：湍流粘度的 计算公式发生了变化，引入了与旋转和曲率有关的内容；占方程是由涡量扰动量的均方根 精确输运方程推导处理的。 2 4 4r e y n o l d s 应力模型( r s m ) r s m 中不用b o u s s i n e s q 假设，而是直接求解雷诺平均n s 方程中的雷诺应力项，同 时求解耗散率方程，同时涡粘度的各向同性假