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铝合金熔炼炉、保温炉数值模拟及操作参数优化研究

作　者: 马和平
导　师: 邓胜祥
学　校: 中南大学
专　业: 热能工程
关键词: 铝合金温度场数值模拟优化
分类号: TF806.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

铝合金的熔炼是铝合金加工过程中的关键工序,它为铝合金铸造提供优质的合金液,决定铸件生产过程中的铸造性能和最终产品质量。而铝合金熔炼炉与保温炉内的温度场分布是否均匀则是决定生产效率与铝锭质量的关键所在,均匀的温度场与合理的操作工艺可以有效的提高生产效率,降低能耗。本文以国内某厂25t熔炼炉和25t保温炉为研究对象,建立了适用的数学模型。以现场数据为基础,利用计算流体力学软件FLUENT6.3为计算平台,对25t熔炼炉和25t保温炉温度场进行了数值模拟研究。本文的主要研究内容与结论如下：1)通过热平衡测试,详细分析了炉子的热效率。熔炼炉的热效率为29.4%,保温炉的热效率为13.6%。2)以FLUENT6.3为平台,对25t铝合金熔炼炉和25t铝合金保温炉温度场进行了数值模拟研究,结果表明,熔炼炉内铝液最高温度为1153K,最低温度为1048K;保温炉内铝液最高温度为1055K,最低温度为1004K。以实际测量的数据对模拟结果进行了验证。铝合金熔炼炉内铝液温度的最大误差为11.37%,保温炉为4.20%。3)详细研究了助燃空气温度与流量以及燃料流量对炉内铝液温度的影响规律。a)熔炼炉助燃空气温度每升高50K,铝液平均温度升高10K；燃料流量每增加0.003 kg/s,铝液平均温度升高25K；助燃空气流量增加,铝液整体温度降低。b)保温炉助燃空气温度每升高50K,铝液平均温度升高10K；燃料流量每增加0.003 kg/s,铝液平均温度升高18K；助燃空气流量增加,铝液整体温度降低。4)对主要操作参数进行了优化研究,提出铝合金熔炼炉和保温的最优操作参数。结果表明,在提高助燃空气温度与增加燃料流量的同时,增加助燃空气的流量,能使炉内铝液温度分布更为均匀。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-10
符号说明  10-11
第一章概述  11-20
  1.1 引言  11-14
  1.2 铝合金熔炼特点  14
  1.3 铝合金熔炼设备及工艺  14-16
    1.3.1 铝合金熔炼设备  15
    1.3.2 铝合金熔炼工艺  15-16
  1.4 国内外铝合金熔炼技术对比  16-18
    1.4.1 熔铸设备  16
    1.4.2 晶粒细化  16-17
    1.4.3 熔体净化与检测  17-18
    1.4.4 检测技术  18
  1.5 课题来源及研究内容  18-20
第二章热平衡测试  20-29
  2.1 熔炼炉热平衡测试及分析  20-24
    2.1.1 热平衡计算基准和测量范围  20
    2.1.2 设备状况和流程  20-21
    2.1.3 热平衡测试条件  21
    2.1.4 测量项目与方法  21
    2.1.5 测量项目与结果  21-22
    2.1.6 热平衡计算  22-23
    2.1.7 热平衡结果分析  23-24
    2.1.8 提高熔炼炉热效率的途径和措施  24
  2.2 保温炉热平衡测试及分析  24-28
    2.2.1 设备状况和流程  24-25
    2.2.2 测量项目与结果  25
    2.2.3 热平衡计算  25-26
    2.2.4 热平衡结果分析  26-27
    2.2.5 提高保温炉热效率的途径和措施  27-28
  2.3 本章小结  28-29
第三章数值计算的理论基础  29-37
  3.1 计算流体力学的发展  29
  3.2 FLUENT软件  29-32
    3.2.1 FLUENT软件简介  29-30
    3.2.2 FLUENT软件的组成  30
    3.2.3 FLUENT解决问题的步骤  30-32
  3.3 传递过程的通用控制方程  32
  3.4 边界条件与初始条件  32-33
  3.5 数值方法  33-34
  3.6 计算区域离散化  34
  3.7 离散控制方程组的求解方法  34-36
  3.8 本章小结  36-37
第四章铝合金熔炼炉温度场数值模拟  37-54
  4.1 几何模型  37
  4.2 计算区域离散化  37-38
  4.3 数学控制方程  38-45
    4.3.1 基本方程  38-39
    4.3.2 湍流时均控制方程  39-41
    4.3.3 燃烧控制方程  41-43
    4.3.4 能量方程  43-45
  4.4 边界条件  45-46
    4.4.1 燃料入口  45
    4.4.2 助燃空气入口  45
    4.4.3 烟气出口  45-46
    4.4.4 壁面条件  46
  4.5 仿真结果  46-47
    4.5.1 概率密度分布函数仿真结果  46
    4.5.2 温度场仿真结果及分析  46-47
  4.6 现场数据与模拟值对比  47-48
  4.7 操作参数优化分析  48-53
    4.7.1 助燃空气温度优化分析  48-50
    4.7.2 燃料流量优化分析  50-51
    4.7.3 助燃空气流量优化分析  51-52
    4.7.4 最佳工况分析  52-53
  4.8 本章小结  53-54
第五章铝合金保温炉温度场数值模拟  54-63
  5.1 物理模型  54-55
  5.2 计算区域离散化  55
  5.3 数学控制方程  55
  5.4 边界条件  55-56
    5.4.1 燃料入口  55-56
    5.4.2 助燃空气入口  56
    5.4.3 烟气出口  56
    5.4.4 壁面条件  56
  5.5 仿真结果  56-57
    5.5.1 概率密度分布函数仿真结果  56-57
    5.5.2 温度场仿真结果及分析  57
  5.6 现场数据与模拟值对比  57-58
  5.7 操作参数优化分析  58-62
    5.7.1 助燃空气温度优化分析  58-59
    5.7.2 燃料流量优化分析  59-60
    5.7.3 助燃空气流量优化分析  60-61
    5.7.4 优化工况分析  61-62
  5.8 本章小结  62-63
第六章全文总结  63-65
参考文献  65-69
致谢  69-70
发表论文及科研情况  70

铝合金熔炼炉、保温炉数值模拟及操作参数优化研究

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