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倾动式铝液保温静置炉内多场耦合仿真与优化研究

作　者: 周善红
导　师: 周乃君
学　校: 中南大学
专　业: 热能工程
关键词: 铝液保温炉流固耦合气体搅拌数值模拟优化
分类号: TG292
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 63次
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内容摘要

倾动式铝液保温静置炉(下文中简称铝液保温炉)内的温度场均匀与否是决定铝扁锭铸造质量好坏和生产效率高低的关键,均匀的温度场和合理的热工制度能有效提高产品质量和生产率并降低能耗。全面解析炉内温度场有助于掌握保温炉的运行状况和延长炉窑的使用寿命,对设计和改造炉窑设备、优化工艺参数具有重要的指导意义。本文以横向课题“生产铝合金扁锭用50t保温炉仿真与优化研究”为依托,以中国铝业青海分公司10#保温炉为研究对象,对保温炉燃烧空间和铝液层内的流场及温度场进行了数值仿真与优化。本文的主要研究内容和结论如下：1)以大型商业软件FLUENT为平台,结合自定义程序建立了保温炉的计算模型；实现了保温炉内燃烧、流固传热的耦合模拟以及气体搅拌过程模拟,并得到燃烧空间及铝液的流场和温度场。2)深入分析了保温炉仿真计算结果,得到了炉内的温度分布特征。保温静置期最高燃烧温度为1850K,铝液平均温度为1158K,铝液层中的平面最大温差约为250K。气体搅拌作用下整体铝液区域温差一般小于3K,而高温区仅占很小区域。本文以实测数据为依据,数值计算所得燃气空间的温度计算平均误差为7%,铝液空间的温度计算平均误差为12.5%。3)深入研究了各个工艺参数对最高燃烧温度和铝液平均温度的影响规律,结果表明：助燃空气温度每增加50℃,铝液平均温度升高15℃；通过天然气控制的铝液温升率为7℃／(Nm3·h-1)；此炉的最佳过剩空气系数在1.25-1.30之间；随着保温炉透气流量的增加,铝液搅拌效果增强,铝液整体温度变得更为均匀。4)对保温炉现有的热工制度进行了优化研究,获得了该保温炉最佳工艺制度,结果显示：燃烧器点火40分钟温升率为1.65℃.min-1,燃烧器关闭30分钟和炉门打开10分钟的温降率分别为0.53℃·min-1和3.3℃.min-1。从热工制度优化角度,保温炉采用间歇式的大火加热方式比连续式的慢火加热效果要好；采用较高的助燃空气温度的和较大的空气过剩系数是比较合理和经济的燃烧方式。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-15
  1.1 前言  10-11
  1.2 铝液保温静置炉概述  11-13
    1.2.1 铝液保温炉分类  11
    1.2.2 铝液保温炉工艺概况  11-12
    1.2.3 铝液保温炉结构及其传热特点  12-13
  1.3 工程背景及意义  13-14
  1.4 本文的主要研究内容  14-15
第二章文献综述  15-26
  2.1 工业炉窑内气体流动、传热研究方法  15-16
  2.2 工业炉窑数值模拟的发展与国内外研究现状  16-19
  2.3 数值模拟技术在铝液保温炉的应用  19-21
  2.4 铝液保温炉仿真数学模型综述  21-25
    2.4.1 炉内湍流流动模型  21-22
    2.4.2 炉内辐射换热模型  22-23
    2.4.3 气相燃烧模型  23-24
    2.4.4 气体搅拌仿真模型  24-25
  2.5 本章小结  25-26
第三章铝液保温炉多物理场耦合计算模型  26-37
  3.1 概述  26
  3.2 基本假设  26
  3.3 基本守恒方程  26-27
  3.4 湍流模型  27-29
  3.5 燃烧反应模型  29-30
  3.6 火焰空间传热模型  30-34
    3.6.1 对流和热传递  30-31
    3.6.2 辐射传热模型  31-34
  3.7 流固耦合传热模型  34
  3.8 气体搅拌计算模型  34-35
  3.9 本章小结  35-37
第四章铝液保温炉内多场耦合仿真及结果分析  37-57
  4.1 铝液保温炉炉内燃烧与传热耦合计算  37-40
    4.1.1 物理模型及网格划分  37-38
    4.1.2 物性参数与边界条件  38-40
  4.2 燃烧空间的流场结果及分析  40-43
    4.2.1 平行于XY平面截面的流场分布  40-41
    4.2.2 平行于XZ平面截面的流场分布  41-42
    4.2.3 平行于YZ平面截面的流场分布  42-43
  4.3 炉内温度场的计算结果及分析  43-47
    4.3.1 平行于XY平面截面的温度场分布  43-44
    4.3.2 平行于XZ平面截面的温度场分布  44-46
    4.3.3 平行于YZ平面截面的温度场分布  46-47
  4.4 计算结果与测试结果的对比及分析  47-49
  4.5 气体搅拌时铝液流场与温度场计算结果及分析  49-52
    4.5.1 物理模型及网格划分  49-51
    4.5.2 物性参数与边界条件  51-52
  4.6 铝液保温炉内气体搅拌流场仿真结果及分析  52-55
  4.7 气体搅拌作用下铝液温度场分布  55-56
  4.8 本章小结  56-57
第五章铝液保温炉热工制度优化分析  57-72
  5.1 铝液保温炉温度场影响因素分析  57-63
    5.1.1 天然气流量对炉内温度场的影响  57-59
    5.1.2 助燃空气温度对炉内温度场的影响  59-60
    5.1.3 过剩空气系数对炉内温度场的影响  60-63
    5.1.4 铝液高度对炉内温度场的影响  63
  5.2 铝液保温炉透气流量优化分析  63-66
    5.2.1 气体流量对炉内铝液流场的影响分析  63-64
    5.2.2 气体流量对温度场的影响  64-66
  5.3 铝液保温炉铝液动态变化分析  66-69
    5.3.1 燃烧器点火后铝液温升曲线  66-67
    5.3.2 燃烧器关闭铝液温降曲线  67-68
    5.3.3 炉门打开铝液温降曲线  68-69
  5.4 铝液保温炉最佳工况分析  69-70
  5.5 本章小结  70-72
第六章全文总结  72-74
参考文献  74-78
攻读硕士学位期间参与的科研项目  78
攻读硕士学位期间发表的学术论文  78-79
致谢  79

倾动式铝液保温静置炉内多场耦合仿真与优化研究

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