автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Численное моделирование газодинамических процессов при струйном нанесении защитных покрытий

РОСИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЦЕНТР

I и СЕН /^5

На правах рукописи

РГ5 о Л

Хранислав Милошевич

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СТРУЙНОМ НАНЕСЕНИИ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

05.13.16 — применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 1995

Работа выполнена в Институте вычислительных технологий СО РАН (г. Новосибирск) ,

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор А.Д.Рычков

Официальные оппоненты: академик М.Ф.Жуков, доктор физико-математических наук,

Г.Г.Черных.

Ведущая организация -- Институт теоретической и прикладной механики СО РАН (г. Новосибирск)

Защита диссертации состоится 24 октября 1995 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Л 002.10.02 в Вычислительном центре Сибирского отделения РАН по адресу: 630090 Новосибирск 90. пр. академика Лаврентьеца, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки ВЦ СО РАН (030090 Новосибирск 90, пр. академика Лаврентьева. С)

Анторофорат разослан " / " 1995г.

Ученый секретарь диссертационного совета' ' к.т.н.

• Г.И.Забиняко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Нанесение защитных покрытий с помощью двухфазных струй широко используется в технике как самостоятельно, так и в качестве составной части многих технологических процессов в самых различных отраслях промышленности. Это, например, газодинамическое напыление порошков металлов на различные поверхности с целью создания антикорро- . зийных покрытий, или повышения изностойкосги трущихся поверхностей, для создания композитных материалов с заданными свойствами и многое другое. В последнее время этот способ начинает широко применяться в металлургической промышленности при нанесении огнеупорных покрытий на стенки сталеплавильных конвертеров. Дело в том, что переход процесса выплавки стали на конвертерное производство требует значительного повышения ресурсов конвертеров, в частности, увеличение стойкости их огнеупорной футеровки. Одним из эффективных способов достижения этой цели является использование струйного торкретирования — нанесение дополнительного защитного огнеупорного покрытия на стенки конвертеров с помощью двухфаз- . ных струй, что позволяет значительно сократить простои конвертеров между плавками и более чем вдвое увеличить количество плавок на одном конвертере без замены основной огнеупорной кладки.

Сам процесс торкретирования изучен еще крайне недостаточ- ■ но в силу сложности протекающих при этом физико-химических явлений и трудной их доступности для измерений в си^у высоких температур и наличия второй фазы высокой концентрации.. представляющей собой мелкодисперсную смесь горящих частиц . кокса и огнеупорного материала (магнезита). Поэтому численное моделирование процесса струйного торкретирования на основе современных математических моделей, достаточно адекватно описывающих турбулентные двухфазные течения с учетом горения частиц, позволяет существенно продвинуться в понимании сути процесса торкретирования и целенаправленно проводить мероприятия по наиболее эффективной его организации и оптимизации. ' ■

Математическое моделирование процесса струйного торкре-

тирования стенок сталеплавильных конвертеров сводится к рас. смотрению задачи о взаимодействии двухфазной турбулентной струи (протяженностью порядка 100-200 калибров), истекающей из специального устройства, со стенкой конвертера. Вторая фаза (торкретмасса) представляет собой мелкодисперсную смесь частиц кокса и магнезита, причем частицы магнезита при подлете их к стенке должны иметь температуру, достаточную для их размягчения и скорость, обеспечивающую их налипание на стенку конвертера. Достижение нужной температуры частиц магнезита осуществляется за счет выделения тепла от сгорания частиц кокса, для сжигания которых в струю вводится кислород. Истечение такой струи происходит в затопленное пространство с высокой температурой. Экономический анализ ряда технологических схем торкретирования, выполненный при участии автора [1] показал, что торкретирование позволяет существенно повысить эффективность эксплуатации сталеплавильных конвертеров за счет снижения простоев между плавками и уменьшения частоты ремонта их огнеупорного покрытия. Экспериментального и теоретического материала по изучению процесса 'торкретирования в настоящее время накоплено сравнительно немного ввиду сложности протекающих физико-химических превращений.

Целью диссертационной работы являлась разработка методики расчета огесимметричных двухфазных турбулентных течений в дозвуковых и сверхзвуковых двухфазных струях с учетом горения частиц, разработка и создание комплекса программ для расчета таких течений и проведение численного моделирования процесса струйного торкретирования с целью исследования специфики и особенностей протекающих при этом процессов, а также выдача рекомендаций практического характера по наиболее, рациональному подбору состава торкретирующей массы и выбора режимов торкретирования.

Научная новизна. 1. Для решения уравнения теплопроводности с конвективным членом предложена разностная схема второго порядка точности, эффективно работающая на реальных (грубых) разностных сетках.

2. Разработана .методика расчета струйных двухфазных течений с учетом горения частиц кокса для численного модели-

рования газодинамики процесса торкретирования в целом — в сопловом насадке, на неизобарическом и изобарическом участках струи, а также при натекания двухфазной струи на стенку конвертера.

3. На основе подхода с использованием взаимопроникающих континуумов и траекторного метода пробных частиц разработаны методики расчета образования экранирующего слоя отраженных частиц, возникающего при взаимодействии падающих частиц со стенкой конвертера.

4. С помощью численного моделирования получены новые результаты по структуре течения в двухфазных струях,' применяемых в процессе торкретирования, конфигурации зон горения частиц кокса, полноты его сгорания и зон размягчения частиц магнезита в зависимости от режимов подачи кислорода и торкретирующей массы. Изучены особенности образования экранирующего слоя частиц и его влияние на эффективность процесса торкретирования.

Практическая ценность работы. 1. Разработан комплекс программ для численного моделирования газодинамических процессов струйного торкретирования, который может быть использован для прогнозирования мероприятий по повышению стойкости футеровок конвертеров и других металлургических агрегатов. Его отдельные компоненты й'огут использоваться, например, для расчета горения в пылеугольном факеле котельных установок тепловых электростанций.

2. На основе результатов численного моделирования разработаны практические рекомендации по рациональной организации процесса торкретирования, которые используются в АО "Западно-Сибирский металлургический комбинат" и АО "Магнитогорский металлургический комбинат". Имеются два акта о внедрений с годовым экономическим эффектом 1 млрд. 268 млн. руб. и 690.5 млн. руб. соответственно в ценах 1994 года.

Достоверность полученных результатов подтверждается апро-бированностью используемых математических моделей и численных методов, внутренними методическими исследованиями, сопоставлением с результатами расчетов других авторов и с результатами экспериментов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались

на 8 международной конференции по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 1994г.), на второй Всероссийской конференции по математическим проблемам экологии (Новосибирск, 1994г.), на международной школе-семинаре по численным методам механики вязкой жидкости (Новосибирск, 1994г.), на первой Азиатской конференции по вычислительной гидродинамике (Гонконг, 1995г.), на семинаре под руководством академика Ю.И.Шокина (Институт вычислительных технологий СО РАН. г.Новосибирск), на семинаре под руководством член-корреспондента В.М.Фомина (Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, г.Новосибирск), на семинаре под руководством профессора В.П.Ильина (Вычислительный центр СО РАН, г.Новосибирск), на научно-технических семинарах и советах Сибирского металлургического института и филиала Инженерной академии (г.Новокузнецк).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в семи печатных работах и одном отчете [1-8].

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 142 наименований. Полный объем диссертации 130 стр., включая 63 рисунка и одну таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и практическая значимость рассматриваемой в диссертации тематики, представлено современное" состояние проблемы, сформулированы цели и задачи диссертации.

Глава 1 посвящена обзору литературы по математическим моделям однофазных и двухфазных турбулентных течений. Здесь отмечается, что наибольшее распространение в инженерной практике расчета таких течений получили модели, основанные на феноменологическом подходе к описанию движения однофазных и двухфазных сред. Такие модели приводят к краевым задачам для систем дифференциальных уравнений в частных производных, для решения которых разработаны достаточно эффективные численные методы. Необходимо отметить, что

в настоящее время для расчета двухфазных течений существует направление, основой которого является эйлерово описание движения газа и лагранжево описание движения частиц, причем учет, влияния турбулентности несущего газа на частицы моделируется как процесс их случайного блуждания под действием пульсационного движения газового потока. Сравнение расчетных и опытных данных подтверждает достоверность такого подхода. Он относительно прост в реализаци и может применяться к исследованию движения двухфазных сред при сложных геометриях, в условиях отражения частиц от твердых границ областей и других случаях. Поэтому этот метод несомненно будет развиваться и совершенствоваться в ближайшем будущем.

В главе 2 рассматриваются вопросы численного моделирования турбулентных двухфазных течений в каналах и струях. Отмечается, что при выборе математической модели течения необходимо учитывать эффективность ее численной реализации и поэтому были выбраны два подхода — континуальный, когда вся гетерогенная среда представляется в виде совокупности взаимопроникающих континуумов и лагранжево-эйлеровый, в котором предполагается использование^ траекторной модели пробных частиц 1 для дисперсной фазы и континуальной модели для несущей. Для вычисления членов, определяющих межфазный обмен, используется специальная процедура пространственно -временного осреднения по отрезкам траекторий пробных частиц. В рамках первого подхода рассматриваются две модели — к-е модель турбулентности, модифицированная для учета влияния дисперсной фазы на турбулентные характеристики потока, 2 в которой вводится коэффициент турбулентной вязкости частиц (в дальнейшем модель 1) и модель,3 где непосредственно определены связи между эйлеровыми корреляциями несущего газа и среды частиц при нелинейном законе их аэродинамического сопротивления (модель 2). Обе эти модели использовались в дальнейшем для расчета двухфазных течений в каналах и струях.

'Кроу // ТОИР, сер. Л, №3, 1982, с. 114-122.

2Paurahama,di //Physoco-Chem. Hydrodynamics, 1983, v.4, №3 p. 191-219.

3Шрайбер Л.Л. и др. Турбулентные течения газовзвеси. Киев: Наукова думка. 1987, 240с.

Эйлерово-лагр&нжев подход обладает большей общностью и хорошо подходит для расчета процесса натекания двухфазной струи на стенку, когда из-за отражения частиц от стенки имеет место пересечение их траекторий. Здесь рассмотрена 'возможность учета влияния на движёние частиц сил Магнуса, и Сафф-мена, а также способы описания влияния на них турбулентных пульсаций несущего газа.

Глава 3 содержит описание некоторых численных методов, применяемых для расчета турбулентных двухфазных течений. Для расчета течений несущего газа это метод SIMPLE 4, эффективно работающий при дозвуковых скоростях течениями А-устойчивый метод второго порядка точности 5 для решения уравнений движения частиц. Рассмотрены Особенности применения метода SIMPLE в каналах с криволинейными стенками, а т<усже модификации этого метода (применение скошенных разностных схем, использование метода PISO 6 для ускорения сходимости внутренних итераций). Для решения уравнения теплопроводности с конвективным членом предложена (совместно с Рычковым А.Д.) квазимонотонная разностная схема второго порядка точности, достаточно эффективно работающая на грубых разностных сетках. Суть ее рассмотрим на примере модельного уравнения

дТ дТ д2Т ■

где Т температура, и - скорость движения среды, D - коэффициент температуропроводности. Наличие конвективного члена приводит к тому, что применение "стандартных" разностных схем с центральными разностями.типа схемы Кранка - Николсо-ня при использовании достаточно грубых сеток возникают нефи-зичные осцилляции численного решения в окрестностях его резкого изменения (для рассматриваемого класса задач это обычно фронт горения, где достаточно велики градиенты температуры). Чтобы их избежать, предлагается строить разностную

4|1атанкар С. Численные методы решения залач теплообмена и .динамики жидко-

• |и. М.: -)ш;р|оатомизяат, 1984, 152с.

'Рычкои А.Д. Математическое моделирование газодинамических процессов в каналах и соплах. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1988,- 220с. ''Issa It.I. // Jounal of Comput. Physics, 1985.

схему, основанную на "гиперболической" аппроксимации. Запишем левую часть уравнения (1) вдоль направления Ах/вХ = и, которое условно назовем характеристикой и построим следующую разностную схему:

+6а?+1Т?+1 + (I -¿ХС.

+

(2)

Шаблон этой разностной схемы показан на рис. 1, где крестиками обозначены точки пересечения характеристики с прямыми, образующими разностную сетку.

а) Л/г > и

б) И/т < и Рис. 1. Шаблон разностной схемы (2)

В этих точках вычисляются значения величин, имеющие в схеме (2) индекс * с использованием соответствующих интерполяций. При значении 6 — 1/2 достигается второй порядок точности. В случае переменных коэффициентов уравнения или нелинейности источникового члена следует воспользоваться известным приемом "предиктор - корректор".

Результаты расчетов тестового примера, имеющего точное решение, приведены на рис. 2 для двух моментов времени при числе узлов разностной сетки N =10. Сплошные кривые соответствуют схеме (2), штриховые - точному решению, штрихпунк-тирные - схеме Кранка-Николсона. Видно, что даже на такой грубой сетке предложенная схема близка к монотонной и имеет хорошую точность. "

-

/ Л \

/. /' \ "V N

/!'

; ■'■ / •■' ! :/

0« »2 П4 0« ЛЯ х 00 02" 04 Об 08 Х

Рис. 2, Сравнение разностных схем.

Глава 4 содержит результаты численного моделирования турбулентных двухфазных течений в каналах и струях и всего процесса торкретирования в целом с прмощью описанных выше моделей и методов. Здесь проведен сравнительный анализ результатов расчетов точения в канале по двум моделям течения, описанным в главе 3 (модель 1 и модель 2) как между собой, так и с экспериментом. 7 Получено вполне удовлетворительное совпадение с экспериментом по обеим моделям. Отличие же в результатах расчетов между моделями проявлялось'в основном вблизи стенок канала, что связано по видимому с введением нефизической турбулентной вйзкости частиц в модели 1. ' Проведено численное моделирование процесса взаимодействия турбулентной двухфазной струи с: плоской щ)еградой как в дозвуковом, так и в сверхзвуковом режимах ее натекания, когда вблизи поверхности преграды происходит образование узкого слоя частиц с повышенной концентрацией, называемого обычно экранирующим слоем. Причиной его формирования является гак торможецие наетйц за счет торможения несущего газа перед стенкой, так и наличие частичного или полного отражения частиц-от ее поверхности. Внутри экранирующего Слоя происходит .взаимодействие падающих и отраженных частиц,

~Крам1'|>. Л''|и,1о. //'ГОШ'. I. (М. Л'Ч, 1972, г. 27 ' :(.г>.

что может приводить к уменьшению интенсивности взаимодействия падающих частиц с преградой. Моделирование процесса проводилось для частиц одного размера в рамках континуального подхода (использовалась модель 2), отраженные от стен, ки частицы рассматривались как новая фракция. Предполагалось, что масса, касательная составляющая вектора скорости и температура частиц при их отражении от стенки не меняются, значение же нормальной компоненты вектора скорости отраженных частиц определялось из соотношения = — ¡Зи+, где ¡3 - коэффициент аккомодации, учитывающий неупругость столкн<звения частиц со стенкой (в расчетах' полагалось /3=0.2). Отношение числа отраженных частиц к числу падающих полагалось равным единице, т.е. предполагалось полное отражение частиц, что было сделано с целью определения максимальных защитных свойств экранирующего слоя. Учитывалось взаимодействие падающих и отраженных частиц Между собой, причем предполагалось, что при их соударениях происходит только обмен импульсом, кинетическая энергия переходит в тепло и распределяется поровну между сталкивающимися частицами.

На рис. За, 36 показана качественная картина распределения плотности частиц вблизи поверхности стенки при числе Маха Мо = 0.5 на оси в натекающей струе для частиц диаметром йр = 100 мкм без учета (рис. За) и с учетом (рис. 36) силового взаимодействия падающих и отраженных частиц между собой.

Видно, что учет такого взаимодействия существенно меняет

к. ^ 1

1 Е '

Рис. За. Плотность частиц вез учета взаимодействия

структуру экранирующего слоя, который "прижимается" к стенке на оси струи, где падающие частицы имеют наибольшую энергию. При этом влияние частиц с <1Р = 100 мкм на структуру течения несущего газа оказывается незначительным и начинает сказываться лишь для частиц малых размеров ((¡р < 10 мкм). На

Рис. 36. Плотность частиц с учетом взаимодействия

рис. 4 показаны распределения давления вдоль стенки для частиц с <1Р = 100 мкм (сплошные линии) и ¿р = 10 мкм (штриховые) при различных значениях Мц. Кривые 1 соответствуют числу Мо—1.о, 2 - Мо=0.5, 3 - Мо=0.1, штрих-пунктирная кривая соответствует течению чистого газа. Видно, что давление в точке

Рис.' 4 Рис.' 5 Рис.' 6

растекания в случае двухфазного течения значительно превосходит давление в чистом газе, что связано с необходимостью совершения газом работы по транспортировке частиц вдоль стенки. Распределения скоростей падающих частиц на стенке (отнесены к местной скорости звука,) изображены на рис. 5 {¿р = 10 мкм) и Рис.. б (<1р = 100 мкм), где сплошные линии относятся к расчетам с учетом силового взаимодействия между падающими и отраженными частицами, штриховые — без учета.

Анализ полученных в работе результатов показывает, что учет силового взаимодействия оказывает существенное влияние на распределение скоростей падающих частиц, причем для крупных частиц это влияние (¿р = 100 мкм) оказывается даже и качественным.

Математическое моделирование; процесса струйного торкретирования не удается ограничить рамками взаимодействия изо-

барической двухфазной турбулентной струи с преградой, поскольку распределение параметров течения в начальном сечении струи неизвестно. Поэтому приходится рассматривать комплексную задачу — формирование двухфазной струи в сопловом насадке и ее истечение из него, течение в изобарической струе и собственно процесс взаимодействия ее со стенкой сталеплавиль-' ного конвертера.

Общая технологическая схема торкретирования показана на рис. 5.

кон»»рт«ра

"" \

стгруы/

Рис. 5. Схема процесса торкретирования

Основой узла торкретирования является многостенная охлажда-. емая водой труба (колонна), по центральной части которой под давлением подается торкретмасса, а по периферийной — кислород. В нижней части трубы располагаются сопла, обеспечивающие формирование двухфазных (торкретмасса) и однофазных (кислород) струй, а также их смешение. Существует несколько схем смешивания струй, из которых наиболее распространенными являются схемы с шахматным расположением сопел при раздельной подаче в каждое из них соответствующих компонент и соосное, когда каждое из сопел является кольцевым, по центральной части которого подается торкретмасса, а по периферийной - кислород. Первая схема более проста и надежна в эксплуатации, но с точки зрения численного моделирования более сложна, поскольку приходится решать задачу о пространственном смешении реагирующих турбулентных двухфазных струй, что в настоящее время не представляется возможным. Однако за счет турбулентного перемешивания таких многосопловых струй, как показывают расчеты и эксперименты, течение уже на расстояниях порядка 10 калибров становится практически осе-симметричным. Учитывая, что протяженность струй во всех

схемах торкретирования составляет 100 - 300 калибров, вполне правомочно при численном моделировании вместо схемы с многосопловой компоновкой использовать схему с одним соосным соплом, имеющим эквивалентные площади проходных сечений. Поэтому в работе рассматривалась только такая схема, когда по центральному соплу подается торкретмасса и в качестве несущего газа используется еьзот, а по периферийнму (кольцевму) — кислород. Истечение неизотермической-струи из такого соплового насадка происходит в затопленное пространство с Высокой температурой. Общая схема течения показана на рис. 6.

Рис. 6. Схема течения в кольцевой струе

Истекающая струя имеет достаточно большую, протяженность

200 калибров), поэтому вся область течения согласно используемой в работе математической технологии разбивалась на три подобласти — область неизобарического течения в кольцевом насадке и на начальном участке струи (I), область изобарического участка струи (II) и область взаимодействия струи со стенкой конвертера (III), расчет течения в которых проводился последовательно. При этом значения параметров течения, полученные на правой границе каждой области, являлись начальными данными для расчета следующей области.

Расчет такого течения проводился в рамках континуальной модели. Для описания движения несущего' газа в сопловом насадке и в струе использовалась осредненная параболизован-ная система уравнений Навье-Стокса и однопараметрическая модель турбулентности с одним дифференциальным уравнением для кинетической энергии турбулентности к (модель 2). Это связано с тем, что с одной стороны процессы, определяющие характер и структуру турбулентных пульсаций в струях с учетом процессов горения-частиц практически не исследованы и перенос результатов, полученных для "холодных" струй не явля-

в

ется вполне корректным, а с другой стороны, как показано в ряде работ, для крупных частиц 80 - 150 мкм) однопара-метрическая модель дает практически те же результаты, что и двухпараметрическая. Горение частиц кокса описывалось в рамках диффузионно-кинетической модели. 8 При расчете движения отраженных от стенки частиц в области (III) для описания двиЬкения частиц использовался как континуальный, так и лагранжево-эйлеров подход, несущий газ описывался полными осредненными уравнениями Навье-Стокса.

Сравнение результатов расчетов по разработанной методики с экспериментом на холодных однофазных и двухфазных

струях оказалось вполне удовлетворительным, что свидетельствует о ее работоспособности. При численном моделирований процесса торкретирования рассматривались три варианта начальных данных, обеспечивающих различную неравномерность распределения параметров течения на срезе соплового насадка, для которых на рис. 7 приведены профили про-дльных скоростей (номера кривых соответствуют номеру варианта). На рис. 8 показано распределение параметров течения вдоль оси струи для варианта №1 (кривые 1 соответствуют параметрам чистого газа, кривые 2 двухфазному течению, штриховые — скорости частиц маглезита, q отношение расхода кокса к расходу магнезита). Видно," что центральная струя быстро ускоряется за счет вязкого взаимодействия с высокоскоростной периферийной, причем наличие второй фазы уменьшает интенсивность ускорения. Однако на основном участке струи скорость частиц

"Хитрйп J1.II. Фи шка горении и нзрыва. М: И.чд-но МГУ, 1957,<М5с.

V, 1 V

; ( \а

! 4 \ — \ "X л

i \

0.0 0.5 U -1.0

Рио. 7.

превышает скорость газа и они увлекают его за собой, увеличивая "дальнобойность" двухфазной струи. Подъем температуры газа, связанный с горением частиц происходит на достаточно большом удалении от насадка, что говорит о значительной затяжке процесса вос-

РИС. 8.

, пламенения частиц кокса. Киносъемка процесса истечения такой струи в промышленном конвертере, специально проведенная в АО "Западно - Сибирский металлургический комбинат" с участием автора, подтверждает полученный результат.

На рис. 9 изображено распределение плотности частиц магнезита вдоль оси струи для вариантов №1 (сплошная) и №2 (штриховал) при q = 0.5. Резкое увеличение плотности ча-10.0

5.0

1 г ъ г

\\ / ч

Y \ d

d

100

Рис. 9. Параметры течения вдоль оси струи

О 100 200 X

стиц на начальном участке струи связано с эффектом "шнурования" струи частиц, выражающимся в уменьшении ее поперечного размера, что подтверждается также скоростной киносъемкой процесса торкретирования. Это обусловленно значительным влиянием на движение частиц членов, учитывающих влияние турбулентных пульсаций несущего газа. Анализ ситуации показал, что из-за больших градиентов течения газа в области смешения струй для варианта происходит интенсивная генерация энергии турбулентных пульсций к, градиент которой возрастает по направлению от оси, что и приводит к сжатию струи частиц. В случае вариантов №2 и №3 смешение струй происходит значительно быстрее и при менее интенсивной генерации к, следствием чего является отсутствие эффекта "шнурования". Здесь же штрих-пунктирной кривой показано распределет

ние плотности частиц для варианта №1, полученное с использованием модели турбулентности (модель 1), в которой вводится коэффициент турбулентной вязкости частиц. Видно, что эффект . "шнурования" в этом случае отсутствует, что свидетельствует о неадекватности результатов, получаемых с помощью этой модели, физической картине течения. Заметим, что для остальных вариантов результаты расчетов по обеим моделям оказываются достаточно близкими. На этом же рисунке показано изменение диаметра частиц кокса ((1) вдоль оси струи для варианта №1 при трех значениях параметра д, свидетельствующее о том, что эффект "шнурования", снижает интенсивность процесса горения кокса. Расположение зон начала и конца горения частиц кокса в струях, соответствующих варианту №1, приведены на рис. 10.

0 100 200 х

в)

Рис. 10. Расположение зон начала и конца горения кокса

Видно, что увеличение относительной доли кокса в торкретмас-се приводит к существенному затягиванию процесса его сгорания, интенсивность которого лимитируется турбулентной диффузией кислорода из периферийной струи.

Некоторые результаты расчетов натекания струи на стенку конвертера приведены на рис. 11. Здесь показано распределение плотности частиц магнезита вдоль оси струи для вариан-

ьо «

115

0.0

Рис. 11. Распределение плотности частиц в экранирующем слое рис. 12. Плотность частиц вдоль стенки

та №1 при д = 0.5, подтверждающее образование здесь экранирующего слоя частиц. Сплошные кривые соответствуют результатам расчетов для континуального подхода, штриховые — для эйлерово-лагранжева. Аналогичные кривые, приведенные на рис. 12, иллюстрируют распределение плотности частиц вдоль стенки конвертера. Полученные результаты по двум методикам расчета оказываются достаточно близкими и лишь по-видимому, сравнение с экспериментом может выявить преимущества-одной из них. К сожалению, такими экспериментальными данными мы на сегодня не располагаем. В то же время затраты машинного времени для методики, основанной на лагран-жево - эйлеровом подх:оде, оказываются в несколько раз выше, чем при континуальном. Поэтому, принимая во внимание тот факт, что физическая -точность результатов расчетов примерно одинакова, мы рекомендуем для численного моделирования процесса взаимодействия двухфазных струй со стенкой конвертера использовать методику, основанную на континуальном подходе с введением дополнительной фракции отраженных от стенки частиц. ,

Анализ результатов расчетов показывает, что в данной схеме торкретирования целесообразно обеспечивать достаточно высокую скорость центральной двухфазной струи, а также каким-либо образом интенсифицировать процесс турбулентного переноса кислорода к центральной ее части.

Для проведения вычислительного эксперимента процесса струйного торкретирования сталеплавильных конвертеров был

создан пакет прикладных программ (ППП) STREAM для ЭВМ PC/AT - 486 DSX, основанный на современных принципах и методах построения ППП для задач механики сплошной среды. Пакет позволяет:

- проводить расчеты однофазных и двухфазных течений в струях, натекающих на плоскую стенку;

- осуществлять графическую визуализацию результатов расчетов и/или получать их твердые копии;

- записывать результаты расчетов в архив, присваивая им уникальные номера;

- использовать хранящуюся в архиве информацию для решения новых задач.

ППП STREAM является проблемно - ориентированным и имеет достаточно простую архитектуру, изображенную на рис. 13. При его создании использовались только штатные системные

Рис. 13. Архитектура ППП STREAM

средства операционной системы DOS (технология работы с "окнами"). Пакет структурно состоит из управляющей программы, которая обеспечивает функционирование всех его компонент, библиотеки модулей моделей среды, библиотеки модулей задач и архива, в котором хранятся результаты расчетов различных вариантов задач.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Построена численная модель процесса струйного торкретирования стенок сталеплавильных конвертеров, основанная на апробированных моделях турбулентного двухфазного течения в неизотермических двухфазных струях.

2. Проведен сравнительный анализ ряда наиболее употребительных однопараметрических и двухпараметрических моделей таких течений, на основании которого рекомендовано для данного класса задач использовать модель 2, а для расчета процесса взаимодействия частиц со стенкой конвертера применять континуальный подход с введением дополнительной фракции отраженных от стенки частиц.

3. Впервые получено численное решение комплексной задачи о струйном торкретировании в точной газодинамической постановке. Разработаны алгоритмы для реализации континуального и лагранжево-эйлерового подходов и создан комплекс программ, с помощью которого проведено численное моделирование процесса торкретирования в условиях, максимально приближенных к реальным.

4. Проведено численное моделирование процесса в условиях производства, на основании которого предложен ряд рекомендаций для АО "Западно-Сибирский металлургический комбинат" (г. Новокузнецк) и АО "Магнитогорский металлургический комбинат" (г. Магнитогорск) по более рациональной организации процесса торкретирования. Реализация этих предложений в указанных АО позволила достичь значительного экономического эффекта (1млрд. 268 млн. в год).

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Economske analize nekaih tehnoloskih shcma strujnog torkretiran-ja celicnih konvertora//H.Milosevic i dr. Nauchno-tehnichestkj otcet fir-mi ImpExEstablishment, Zurich, 1993, 216 str. (русск. пер.: Экономический анализ некоторых технологических схем струйного торкретирования сталеплавильных конвертеров// X. Милошевич и

др. Научно-технический отчет фирмы ImpEx Establishment, Цюрих, 1993, 216 стр.)//

2. Рычков А.Д., Кустов А.П., Маракулин Ю.А., Милошевич X. Численное моделирование газодинамических процессов при струйном торкретировании сталеплавильных конвертеров. // Теплофизика и аэромеханика, 1994, №3, с.65439.

• 3. Рычков А-Д-, Милошевич X. Расчет течения в дозвуковых турбулентных двухфазных струях с учетом горения частиц. //Математические проблемы экологии. Тезисы докл. на 2 Всероссийской конф., изд-во ин-та математики СО РАН, 1994, с.125-126.

4. Рычков А.Д., Милошевич X. Расчет натекания турбулентной двухфазной струи на плоскую преграду. //Вычислительные технологии. Новосибирск ИВТ СО РАН, 1994, т.З, №3, с.147-150.

5. Rychkov A.D., Kustov Р.А., Marakulin Yu.A., Miloshevich H. Numerical simulation of the jet-coating process of steel-smelling converters./ /Thermophysics and Aeromechanics, v.l №4, 1994, p.313-318.

6. Rychkov A.D. and Miloshevich H. Numerical modelling of the process of fireproof coating formation by jet coating.//Proceeding of the First Asian Computational Fluid Dynamics Conference, Hong-Kong, 1995, v.3, p.1041 1048.

7. Рычков А.Д., Милошевич X. Численное моделирование образования экранирующего слоя частиц при натекании турбулентной двухфазной струи на плоскую стенку. //Вычислительные технологии. Новосибирск ИВТ СО РАН, 1995, т.4, №12, с.273 278.

8. Рычков А.Д., Кустов П.А., Маракулин Ю.А., Милошевич X. Численное моделирование двухфазных турбулентных течений в струях "с учетом горения частиц при торкретировании сталеплавильных конвертеров.// Сталь, 1995, №10 (в печати). .