夏建芳，劉 寒，王瀟杰

（中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙 410083）

【摘 要】 環(huán)式冷卻機(jī)是燒結(jié)礦料的重要冷卻設(shè)備，其設(shè)計(jì)理論均基于 20世紀(jì) 80年代日本以臺(tái)車高度 1.5 m的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，導(dǎo)致系列產(chǎn)品所有臺(tái)車高度均為1.5 m，且難以預(yù)測燒結(jié)礦物性參數(shù)偏離實(shí)驗(yàn)工況下的環(huán)冷機(jī)真實(shí)冷卻效果。作者在研究燒結(jié)礦風(fēng)冷熱交換機(jī)理和等效仿真模型基礎(chǔ)上，應(yīng)用 VB.NET語言，基于CFD平臺(tái)，開發(fā)了環(huán)式鼓風(fēng)冷卻機(jī)燒結(jié)礦冷卻過程自動(dòng)仿真軟件。該軟件具備環(huán)冷機(jī)幾何參數(shù)、燒結(jié)礦物性參數(shù)、燒結(jié)礦初始溫度、風(fēng)機(jī)風(fēng)量等友好參數(shù)輸入界面，自動(dòng)仿真燒結(jié)礦溫度、排出煙氣溫度隨時(shí)間的變化曲線并以數(shù)據(jù)文件和圖像顯示。測試結(jié)果與仿真結(jié)果對比表明，燒結(jié)礦冷卻過程仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，滿足工程精度要求，可以預(yù)測燒結(jié)礦冷卻效果、指導(dǎo)環(huán)式冷卻機(jī)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】 環(huán)式冷卻機(jī)；數(shù)值模擬；仿真軟件；CFD軟件；VB.NET

引言

鋼鐵冶煉是一個(gè)高能耗、高污染的產(chǎn)業(yè)，據(jù)調(diào)查，在鋼鐵冶煉的過程中，燒結(jié)礦冷卻工序能耗約占企業(yè)總能耗的10%~15%，是僅次于煉鐵的第二大耗能工序^[1-2]。環(huán)式冷卻機(jī)（以下簡稱環(huán)冷機(jī)）是燒結(jié)礦冷卻工序中的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)圖如下圖 1 所示，隨著我國鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排要求的越來越高，如何增大環(huán)冷機(jī)產(chǎn)量，提高能源利用率成為了迫在眉睫的問題^[3-4] 。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，制約我國環(huán)冷機(jī)設(shè)備發(fā)展的主要問題是目前國內(nèi)環(huán)冷機(jī)的設(shè)計(jì)，都是參照上世紀(jì)八十年代日本基于臺(tái)車高度1.5 m的測試數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)公式。正是因?yàn)槿绱?，環(huán)冷機(jī)在設(shè)計(jì)的過程中，很多關(guān)鍵參數(shù)無法改變，比如，我國的環(huán)冷機(jī)不論尺寸大小，其臺(tái)車高度都統(tǒng)一為 1.5m，導(dǎo)致現(xiàn)在只能通過增大環(huán)冷機(jī)截面積的方式來增大產(chǎn)量，造成環(huán)冷機(jī)安裝場地需求越來越高。不僅如此，環(huán)冷機(jī)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)完成之后也無法準(zhǔn)確的預(yù)測環(huán)冷機(jī)的冷卻效果。由此可知，傳統(tǒng)的環(huán)冷機(jī)設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代的鋼鐵行業(yè)需求。

針對環(huán)冷機(jī)，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究。在結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面張忠波等^[5]基于燒結(jié)機(jī)結(jié)構(gòu)開發(fā)新型高效燒結(jié)環(huán)冷機(jī)，很大程度上降低設(shè)備漏風(fēng)率，提升能源利用率；在冷卻效率方面夏建芳等^[6]提出冷卻能耗測試與計(jì)算方法，評(píng)價(jià)了多臺(tái)套燒結(jié)機(jī)、環(huán)冷機(jī)的實(shí)際能耗。在數(shù)值模擬方面，Caputo^[7]在評(píng)估環(huán)冷機(jī)燒結(jié)礦冷卻床的換熱時(shí)，提出了一維穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型；Pelagagge^[8-9]等人提出了環(huán)冷機(jī)二維換熱模型，并通過實(shí)測燒結(jié)礦的數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

Jang^[10]等提出了環(huán)冷機(jī)三維換熱簡易模型，用于模擬環(huán)冷機(jī)的換熱及湍流過程；Leong^[11]等基于多孔介質(zhì)-局部熱平衡理論，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent模擬了環(huán)冷機(jī)內(nèi)的流動(dòng)與換熱過程。以上的研究工作僅研究換熱行為，未能建立相應(yīng)計(jì)算公式或計(jì)算軟件，即還無法用于指導(dǎo)環(huán)冷機(jī)設(shè)計(jì)。為了對環(huán)冷機(jī)冷卻效果進(jìn)行有效預(yù)測，在設(shè)計(jì)階段即時(shí)調(diào)整環(huán)冷機(jī)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，開發(fā)環(huán)冷機(jī)冷卻過程仿真軟件迫在眉睫。

作者首先分析了環(huán)冷機(jī)內(nèi)氣固換熱過程，基于氣體湍流方程、多孔介質(zhì)模型與局部非熱平衡能量方程以及臺(tái)車單元環(huán)向移動(dòng)等效環(huán)冷機(jī)模型，應(yīng)用VB.NET 語言，對環(huán)冷機(jī)數(shù)值模擬過程的參數(shù)化建模、自動(dòng)數(shù)值模擬、結(jié)果后處理等功能進(jìn)行封裝，隱式生成 Gambit 幾何建模與網(wǎng)格劃分命令流，F(xiàn)luent仿真計(jì)算與后處理命令流，生成了燒結(jié)礦冷卻過程自動(dòng)仿真軟件，實(shí)現(xiàn)燒結(jié)礦冷卻過程的自動(dòng)仿真，并通過與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性。

1 仿真等效物理模型與數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 環(huán)冷機(jī)仿真等效物理模型分析

本文以高效燒結(jié)環(huán)冷機(jī)為研究對象，結(jié)構(gòu)展開圖如圖2所示。高效燒結(jié)環(huán)冷機(jī)可以分為回風(fēng)段與鼓風(fēng)機(jī)段兩個(gè)部分，主要區(qū)別在于余熱回收段冷卻風(fēng)由余熱回風(fēng)管道輸入，溫度約為 120 ℃，煙氣由集熱罩收集進(jìn)行余熱利用，鼓風(fēng)機(jī)段冷卻風(fēng)為空氣由風(fēng)機(jī)吹入，煙氣通過百葉窗直接排向大氣。

多功能高效環(huán)冷機(jī)臺(tái)車回轉(zhuǎn)半徑大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且臺(tái)車?yán)@其回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)態(tài)冷卻，若要對整個(gè)環(huán)冷機(jī)進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格建模，將對仿真計(jì)算機(jī)性能要求過高，且仿真過程耗時(shí)極長，因此本文探究等效模型的解決方案。等效物理模型以臺(tái)車為研究對象，分別建立回風(fēng)段、鼓風(fēng)機(jī)段臺(tái)車等效物理模型，具體模型如圖3、圖4所示。

以圖3為例，為環(huán)冷機(jī)回風(fēng)段臺(tái)車模型，由圖可知，臺(tái)車由下至上分為3個(gè)部分。最下部分為風(fēng)箱，中間為燒結(jié)礦，上部為集熱罩與煙囪或其它排出煙氣裝置。

1.2 燒結(jié)礦冷卻過程數(shù)學(xué)模型

本文數(shù)值分析基于 FLUENT 軟件，對燒結(jié)礦冷 卻過程熱力學(xué)分析的重點(diǎn)即分析燒結(jié)礦與冷卻氣體換熱過程所涉及的控制方程。

1.2.1 氣體湍流方程

環(huán)冷機(jī)工作過程中冷卻氣體在燒結(jié)礦內(nèi)進(jìn)行流動(dòng)，因此氣體的流動(dòng)為湍流，選用標(biāo)準(zhǔn) k - ε 模型^[9] 。該模型中，k和ε對應(yīng)的運(yùn)輸方程為：

k方程：

式中：ρ代表密度；k代表湍動(dòng)能；ε是湍流耗散率；u代表速度矢量；i、j代表坐標(biāo)維數(shù)；S表示平均速度應(yīng)變率張量；τ_tij代表雷諾應(yīng)力；C_1ε、C_2ε 、σ_ε、σ_ε為常數(shù)。

1.2.2 多孔介質(zhì)方程

燒結(jié)礦內(nèi)存在很多微小孔隙，并且大多數(shù)孔隙之間能夠互相連通，因此燒結(jié)礦是多孔介質(zhì)模型。

其黏性阻力系數(shù)（1/α）與慣性阻力系數(shù)（C 2 ）可通過Ergun方程計(jì)算:

黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)的定義分別為：

式中：L 代表燒結(jié)礦厚度，D_p是平均粒徑，? 代表燒結(jié)礦孔隙率，Δp 為壓降，u為動(dòng)力粘度。

1.2.3 局部非熱平衡方程

本文燒結(jié)礦與冷卻氣體間的熱導(dǎo)率與相差較大，燒結(jié)礦與空氣溫度始終存在溫度差，局部熱力學(xué)平衡的假設(shè)不成立。本文采用局部非熱力學(xué)平衡雙能量方程，將燒結(jié)礦溫度和冷卻空氣溫度視為兩個(gè)獨(dú)立變量，定義燒結(jié)礦的平均溫度為 Ts，冷卻空氣的平均溫度為 Tf ，以平均容積法為基礎(chǔ)建立能量方程：

對于氣相：

式中：k_f,eff為導(dǎo)熱系數(shù)，ρ_f是流體的密度，φ_f為內(nèi)熱源，α_sf為比表面積，k_s,eff是固體的導(dǎo)熱系數(shù)，ρ_s是固體密度，φ_f是固體骨架中內(nèi)熱源。

2 燒結(jié)環(huán)冷機(jī)自動(dòng)仿真系統(tǒng)程序架構(gòu)

2.1 程序功能設(shè)計(jì)

本程序基于 VB.NET 高級(jí)語言搭建平臺(tái)，將編制出集仿真前處理、計(jì)算、后處理于一體的，界面友好，操作簡便的，能夠?qū)Νh(huán)冷機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供指導(dǎo)的燒結(jié)環(huán)冷機(jī)自動(dòng)仿真系統(tǒng)。因此在功能方面，需要實(shí)現(xiàn)用戶從操作界面輸入基本參數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類與處理、自動(dòng)調(diào)用 GAMBIT 建模與網(wǎng)格劃分、自動(dòng)調(diào)用 FLUENT 進(jìn)行仿真。仿真結(jié)束后，對仿真結(jié)果進(jìn)行處理，輸出燒結(jié)礦與煙氣曲線圖、風(fēng)箱流量圖、顯示仿真云圖、自動(dòng)輸出并保存仿真結(jié)果表格。

2.2 程序架構(gòu)

燒結(jié)環(huán)冷機(jī)自動(dòng)仿真系統(tǒng)基于 VB.NET 平臺(tái)，對 FLUENT、GAMBIT 等仿真軟件進(jìn)行封裝，包括前處理、仿真計(jì)算、后處理三大模塊。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，達(dá)成設(shè)計(jì)要求，具體的流程圖如圖5。

2.3 交互設(shè)計(jì)

為了充分實(shí)現(xiàn)所需的功能，本系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了兩類操作界面，分別為參數(shù)輸入界面與仿真界面。

如圖6所示。

在圖6參數(shù)輸入界面中，左側(cè)為參數(shù)輸入欄，右側(cè)為模型示意圖。如圖7所示為燒結(jié)環(huán)冷機(jī)自動(dòng)仿真系統(tǒng)仿真界面，其中下半部分為功能區(qū)，包括建模、仿真功能按鍵，圖形顯示按鍵以及結(jié)果保存按鍵。左上部與右上部分別為結(jié)果的數(shù)值顯示框與圖像顯示框。

3 Gambit 、Fluent 軟件命令語法分析與封裝技術(shù)

3.1 Gambit 參數(shù)化建模

本系統(tǒng)的建模與網(wǎng)格劃分環(huán)節(jié)采用了 Gambit軟件，Gambit內(nèi)置了TUI命令語言，要實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，只需利用 TUI 語言將模型參數(shù)與建模步驟編制成jounal文件導(dǎo)入Gambit即可。

3.1.1 Gambit命令語法分析

相較于其他建模軟件的命令流語言，Gambit的TUI 語言相對直觀與嚴(yán)謹(jǐn)，不易產(chǎn)生歧義。Gambit的建模以點(diǎn)作為基準(zhǔn)，例如創(chuàng)建一個(gè)名稱為“in”的長方體的命令流語句：

“volume create "in" width 3.6 depth 2 height

0.5 offset 1.8 1 0.25 brick”

其中 3.6、2、0.5 分別為這個(gè)體的長、寬、高。而（1.8，1，0.25）是這個(gè)長方體中心點(diǎn)的坐標(biāo)。因此，在 Gambit 中建立模型只需按照以上語法構(gòu)建模型建立命令流即可。

網(wǎng)格劃分部分較為簡單，由于環(huán)冷機(jī)臺(tái)車的形狀是規(guī)整的長方體，因此只需以0.1m為尺寸劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分的命令流的語言為：

“volume mesh "in" "porous" "out" cooper

size 0.1”

指的是以 0.1 m 為尺寸，對以上“in”“porous”

“out”三個(gè)模型體劃分網(wǎng)格。

3.1.2 參數(shù)化建模及Gambit封裝技術(shù)

Gambit 本身無法替換參數(shù)的值，因此，在建模命令語言編輯完成后，需要利用 VB.NET 平臺(tái)對其進(jìn)行參數(shù)化處理，以創(chuàng)建體為例，修改長方體的長度：

Dim width as string ；width=4

Dim jou1 As New IO.StreamWriter("1.jou")

jou1. WriteLine“( volume create "in" width “ +

width + ” depth 2 height 0.5 offset 1.8 1 0.25

brick”)。

這樣將此長方體的長度設(shè)置成參數(shù) width，當(dāng)width的值改變時(shí)，長方體的長度也隨之改變。

待所有模型命令進(jìn)行了參數(shù)化處理后，需要調(diào)用GAMBIT，并且使其執(zhí)行建立好的命令文件，調(diào)用Gambit并執(zhí)行jounal文件“1.jou”命令的語句如下：

Shell("" + gambitpath + " -inp 1.jou -new")

調(diào)用語句使用“shell”函數(shù)，此函數(shù)的使用方法為“shell+調(diào)用路徑+參數(shù)1+參數(shù)2”，在以上語句中，" + gambitpath + "指 Gambit 應(yīng)用程序路徑，" - inp 1.jou"指的是執(zhí)行根目錄下文件名為1的命令文件，"-new"指建立新的模型文件。

3.2 fluent 命令語法研究與封裝技術(shù)

3.2.1 Fluent的GUI語法研究

Fluent是一款功能全面的計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件，滿足燒結(jié)環(huán)冷機(jī)的仿真要求。Fluent 的命令語言采用 GUI 語法。因此，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)仿真需要使用GUI語言編制Fluent的jounal文件導(dǎo)入Fluent。

GUI語言的部分示例如下：

打開網(wǎng)格文件：“(cx-gui-do cx-set-text-entry

"select File*Text" "zhenduan.msh")”。

其中，“zhenduan.msh”指的是程序根目錄的網(wǎng)格文件，如果網(wǎng)格文件不在程序根目錄，則需要寫入完整的路徑。

設(shè)置仿真步長為 5s：“(cx-gui-do cx-set-real

entry - list "Run Calculation * Frame1 * Table1

*Frame6* Table6* RealEntry1 (Time Step Size)" '(

5))”

設(shè)置入口溫度為1023k：”(cx-gui-do cx-set-re

al - entry-list "Patch*Frame2*RealEntry1(Value)" '(

1023))”。

從以上這些例子可以看出，F(xiàn)luent 的命令語句看似繁瑣復(fù)雜，實(shí)際上并不難理解。其結(jié)構(gòu)通常為：“功能名*框架+編號(hào)*表格+編號(hào)*輸入框+編號(hào)（輸入的值）”構(gòu)成，只需要理解這一命令結(jié)構(gòu)就能逐句編出Fluent的命令語句。

3.2.2 Fluent封裝技術(shù)

同理，調(diào)用 Fluent 并讀取 jounal 文件自動(dòng)仿真的語句如下：

Shell("" + fluentpath + " 3d -g -i 2.jou")

調(diào)用Fluent同樣使用“shell”函數(shù)，以上命令中，" + fluentpath + "表示 Fluent 軟件路徑，“3d”表示采用 3d 模型，“-g”表示打開設(shè)置菜單，“-i 2.jou ”表示執(zhí)行根目錄下文件名為2的命令文件。

4 工程驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)環(huán)冷機(jī)自動(dòng)仿真平臺(tái)的可靠性，必須將數(shù)值仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。本文以鞍鋼 415㎡高效燒結(jié)環(huán)冷機(jī)為研究對象，實(shí)地檢測燒結(jié)礦溫度數(shù)據(jù)以及環(huán)冷機(jī)自動(dòng)仿真平臺(tái)所需輸入?yún)?shù)。鞍鋼415 ㎡高效燒結(jié)環(huán)冷機(jī)中徑44 m，按照進(jìn)風(fēng)方式可以劃分為回風(fēng)段與鼓風(fēng)段，中間以隔板隔開，周向共布置有 5 臺(tái)風(fēng)機(jī)。燒結(jié)礦入口溫度約為750 ℃，要求出口溫度為120 ℃以下。鞍鋼415 ㎡高效燒結(jié)環(huán)冷機(jī)關(guān)鍵參數(shù)與實(shí)測燒結(jié)礦物性參數(shù)如表1。

將表 1 中的參數(shù)輸入環(huán)冷機(jī)自動(dòng)仿真平臺(tái)，經(jīng)過數(shù)值模擬過程，得到燒結(jié)礦溫度變化數(shù)據(jù)。415㎡高效燒結(jié)環(huán)冷機(jī)運(yùn)行一周的時(shí)間為 4200 s，為了減少篇幅同時(shí)保證對比準(zhǔn)確度，現(xiàn)選取包括進(jìn)口與出口在內(nèi)的 11 個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的燒結(jié)礦溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，燒結(jié)礦溫度變化模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)趨勢對比結(jié)果如圖8所示。

如圖 8 可知，燒結(jié)礦溫度實(shí)測曲線與模擬溫度曲線變化趨勢一致，而且重合率很高?，F(xiàn)定量分析實(shí)測溫度與模擬溫度的絕對誤差與相對誤差，結(jié)果如下表2所示。

通過表 2 可以看出，最大的絕對誤差產(chǎn)生在1260 s 為 15.41℃，最大相對誤差產(chǎn)生在出口處為4.9%。由此可以得出結(jié)論，數(shù)值模擬所得到的數(shù)據(jù)誤差值控制在5%以內(nèi)，符合工藝精度要求，因此認(rèn)為使用文本開發(fā)的環(huán)冷機(jī)自動(dòng)仿真平臺(tái)對環(huán)冷機(jī)設(shè)備進(jìn)行數(shù)值模擬所得到的結(jié)果是準(zhǔn)確、可靠的。

5 總結(jié)

作者主要研究工作及結(jié)論如下：

（1）分析了環(huán)冷機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式建立了環(huán)冷機(jī)的等效物理模型，探究了燒結(jié)礦的冷卻機(jī)理，選用氣體湍流模型、多孔介質(zhì)模型、局部非熱平衡方程建立了環(huán)冷機(jī)冷卻過程仿真模型。

（2）剖析了 Gambit、Fluent 軟件命令流語法，運(yùn)用 VB.NET程序設(shè)計(jì)語言開發(fā)了界面友好的集基本參數(shù)輸入、自動(dòng)前處理、自動(dòng)仿真計(jì)算、自動(dòng)后處理等功能于一體的環(huán)冷機(jī)燒結(jié)礦冷卻過程自動(dòng)仿真軟件。極大簡化仿真操作過程，設(shè)計(jì)人員可以通過該軟件即時(shí)獲得燒結(jié)礦不同時(shí)刻溫度數(shù)據(jù)，也能觀察燒結(jié)礦溫度變化與排出煙氣隨時(shí)間溫度變化情況，使不具備計(jì)算流體力學(xué)知識(shí)背景的工程技術(shù)人員也能夠輕易的使用該軟件模擬仿真燒結(jié)礦冷卻過程。對指導(dǎo)環(huán)冷機(jī)設(shè)計(jì)具有重要意義。

（3）以鞍鋼 415㎡高效燒結(jié)環(huán)冷機(jī)為研究對象，以燒結(jié)礦溫度數(shù)據(jù)為參考指標(biāo)，對比了實(shí)測數(shù)據(jù)與環(huán)冷機(jī)自動(dòng)仿真平臺(tái)的模擬數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了本文開發(fā)的環(huán)冷機(jī)自動(dòng)仿真平臺(tái)的準(zhǔn)確性與易用性。

參 考 文 獻(xiàn)

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