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高炉风口回旋区异形颗粒运动及传热机制的理论、实验和数值模拟研究

韦光超

高炉风口回旋区异形颗粒运动及传热机制的理论、实验和数值模拟研究

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  • 1. 东北大学
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摘要

绿色低碳始终是引领现代钢铁行业高质量可持续发展的重要理念,在推进“碳达峰、碳中和”的进程中,只有实行创新型节能减排技术才能真正实现人类与自然社会的和谐友好。高炉是钢铁领域全面升级改造的关键,开展新一代集成创新型冶炼技术研究已成为实现高效、低耗目的的重要途径。高炉的稳定运行和冶炼强度严重受制于风口回旋区内复杂的物理化学行为,因此充分发展科学合理的回旋区理论已成为众多钢铁从业者关注的焦点。国内外学者对回旋区内的基本流体动力学特性进行了较深入的研究,但关于复杂物料颗粒形貌对回旋区动力学和热力学影响的研究却显得尤为不足,特别是对持续处于高温高压工作环境的工业高炉而言,亟需构建回旋区内复杂多相流场与温度场之间的耦合关系,以解析在极端条件下流动行为与热化学反应过程之间的作用机理。本文通过物理实验、数值模拟、理论分析相结合的方式对风口回旋区颗粒运动及传热机制进行了系统深入的研究,旨在揭示颗粒形貌对回旋区动力学和热力学多尺度演化行为的影响规律,并为现代高炉的大型化、集成化、智能化提供理论指导。 物理实验方面,首先以球体颗粒作为基本参照进行了冷态回旋区实验,获得了床层压降和进气速度的关系曲线,并将其划分为五个主要阶段,捕获了各阶段典型的颗粒运动行为和回旋区形貌特征。而后拓展到具有相同体积但不同长径比(Ar)的三种圆柱体颗粒体系,明确了各体系形成稳定回旋区所需的有效进气速度范围,探究了不同终端进气速度和初始床层高度对回旋区形貌及尺寸、床层压降以及颗粒运动带的影响规律,阐明了回旋区尺寸及压降与Ar之间的内在联系。 数值模拟方面,采用计算流体力学-离散单元(CFD-DEM)耦合的方法对圆柱体颗粒回旋区展开冷态数值模拟研究。首先,通过与物理实验结果进行对比,验证了模型的准确性,然后从微观尺度(如气体涡量分布、气固曳力分布、颗粒间接触力分布、颗粒转动动能以及取向统计)揭示了回旋区的演化机理,实现了异形颗粒回旋区研究由实验到模拟的有效过渡。进一步开展了热态CFD-DEM数值模拟,构建了具有不同Ar的椭球体颗粒和不同球形度(φ)的柏拉图颗粒(正四面体和正八面体),通过与颗粒降温实验数据进行有效对比,校正了适用的传热模型,研究了回旋区微观演化结构和传热特性。从颗粒尺度定量分析了不同体系的回旋区配位数(CN)及其概率密度函数(PDF)分布、力链及其PDF分布、取向、转动动能以及曳力;对比了不同Ar和φ对传热影响的差异性,证明了颗粒形状在回旋区动量转换和热量传输过程中发挥的关键作用。 基于空隙结构对回旋区传热的影响,构建了准二维高炉回旋区内焦炭颗粒耗散模型,重点探究了由于颗粒耗散引起的炉料下降过程中空隙变化与传热特性之间的作用机制。表征了不同Ar椭球颗粒体系的回旋区动态演化过程及颗粒速度标准偏差分布、局部空隙结构、力链及PDF分布;全面揭示了回旋区空隙分布、颗粒耗散质量、颗粒温度PDF和标准偏差分布以及升温过程随进气速度的变化规律。 理论分析方面,通过对不同Ar圆柱体和椭球颗粒体系进行剪切模拟,归纳得到了考虑颗粒形状因子Ar和直径dp在内的新内摩擦角关联式,修正了 Gupta团队提出的回旋区尺寸预测模型,提高了模型的预测精度,证明了颗粒形状对回旋区尺寸预测模型存在的影响。

关键词

高炉风口回旋区/异形颗粒运动/传热机制/数值模拟

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授予学位

博士

学科专业

钢铁冶金

导师

安希忠;张浩

学位年度

2022

学位授予单位

东北大学

语种

中文

中图分类号

TF
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