绝热层结构等效有限元模型的研究及应用

为了简化绝热层的有限元计算模型,提出了等效换热系数的概念,将绝热层和热交换介质的传热过程简化成等效热交换,并由此给出了平壁和圆筒壁传热的等效换热系数计算公式。该方法不仅极大地简化了热力学中的有限元模型,而且顺利解决了一些由于模型过大导致的问题。仿真结果表明:该方法准确可信,将其应用于鼓风站管道的有限元计算中,取得了令人满意的结果。     

高炉炉缸炉底内衬的等效冷却条件计算方法

建立了高炉炉缸炉底冷却的二维有限元传热模型.该模型能计算紊流水冷冷却器以等效对流换热系数表征的冷却参数,能反解服役炉缸实际冷却强度.等效冷却条件参数可用于缩小多维炉缸传热模型的计算域和规模,且不失边界条件精度.文中设计了参数化有限元建模及分析的计算程序,基于管内紊流水努赛尔特征数,定义一个物性综合系数,构造了更为简明的对流换热系数计算表达式.     

钢包钢水温降及其影响因素的模拟

通过有限元方法建立了120 t钢包的传热模型,计算分析了钢包在使用过程中的传热行为,研究了钢包内衬及厚度对钢水温降的影响.结果表明:使用导热系数较低的保温材料,在传统钢包内衬中添加绝热层能显著提高钢包的保温效果,减低钢水温降速率;改变工作衬厚度对钢水温降速率的影响较小.     

蓄热球体热饱和时间的分析计算

在简化传热模型的条件下,用分析解的方法计算了堇青石材料的球形蓄热体的热饱和时间,并确定了热饱和时间与换热系数以及蓄热体半径之间的关系.     

热轧工作辊换热系数的遗传算法优化模型

边界热交换系数的确定是热轧工作辊高精度温度场计算的关键参数.分析了热轧工作辊的热边界条件,建立了实用的轧辊温度场模型,采用改进的遗传算法--新的适应值标定方法对工作辊关键换热参数进行优化.仿真和实验结果表明,该优化模型实用可靠,可用于生产实践中工作辊换热系数的确定.     

气隙对高炉炉缸凝铁层的影响

摘要：高炉炉缸内衬表面形成稳定的凝铁层将延长高炉寿命。采用三维数值模拟探讨了凝铁层的导热系数及炉缸区域气隙对高炉传热体系的影响;数学模型中凝铁层的导热系数采用修正后的结果,发现冷面附近的计算温度与热电偶实测温度不符,推断有绝热层（气隙）的存在。当绝热层（气隙）厚度在0.5～1mm时,计算温度与实测温度（正常炉况下）一致。通过引入绝热层（气隙）的概念对现有的传热模型进行了修正,绝热层（气隙）的厚度变化将影响炉缸凝铁层的厚度;发现当绝热层（气隙）厚度达到6.5mm时,凝铁层刚好完全消失;即绝热层（气隙）厚度的变化是影响凝铁层消失的主要因素,进而影响高炉长寿。     

气隙对高炉炉缸凝铁层的影响

高炉炉缸内衬表面形成稳定的凝铁层将延长高炉寿命。采用三维数值模拟探讨了凝铁层的导热系数及炉缸区域气隙对高炉传热体系的影响;数学模型中凝铁层的导热系数采用修正后的结果,发现冷面附近的计算温度与热电偶实测温度不符,推断有绝热层(气隙)的存在。当绝热层(气隙)厚度在0.5～1 mm时,计算温度与实测温度(正常炉况下)一致。通过引入绝热层(气隙)的概念对现有的传热模型进行了修正,绝热层(气隙)的厚度变化将影响炉缸凝铁层的厚度;发现当绝热层(气隙)厚度达到6.5 mm时,凝铁层刚好完全消失;即绝热层(气隙)厚度的变化是影响凝铁层消失的主要因素,进而影响高炉长寿。     

基于有限元法计算重轨钢淬火过程的换热系数

提出一种利用有限元软件结合实验计算换热系数的方法,根据实测的温度曲线,将影响U75V钢轨(/%:0.74C,0.76Si,0.82Mn,0.014P,0.028S,0.071V)换热系数的诸多因素进行非线性耦合,建立了换热系数的几何模型,通过Python语言编制计算换热系数的迭代程序,求得该钢淬火过程的换热系数。以计算的换热系数作为已知边界条件,在DEFORM-3D中对耦合了相变的钢轨喷雾淬火的温度场进行模拟,模拟计算的冷却曲线与实测冷却曲线一致。     

退火炉在线测试与传热模型研究

在线对退火炉内退火过程进行了热电偶插片实验,得到了钢卷内部温度分布的实际参数,讨论了退火炉内传热边界条件和径向热导率的确定方法。根据炉内氢气分流比例数据和在线采集的循环风机参数,计算实际工况下钢卷表面的对流传热系数;采用内罩温度简化算法,计算以炉台温度为基准的辐射换热系数;测试和ANSYS仿真计算结果表明,等效热导率在加热和冷却过程中差别较大,采用变化热导率计算结果与实测结果吻合较好。     

钢包绝热层厚度对钢水温降影响模拟研究

钢包绝热层直接影响钢包热状态,进而影响钢水温降。文章建立了基于ANSYS软件的钢包传热有限元模型,模拟计算了钢包周转过程中,无绝热层、绝热层厚度分别为8mm、16mm和24mm时钢包传热温降及包衬温度的分布规律。利用现场实测数据进行验证,证明模拟结果的可靠性。     

大钢锭凝固界面换热系数的数值模拟

基于热-黏弹塑性本构方程建立了大钢锭凝固时热-流-力耦合的3D有限元模型,并对8.5t钢锭浇注过程中不同位置处热流密度、气隙宽度和界面换热系数的变化规律进行了模拟分析。结果表明,钢水与钢锭模刚刚接触时的热流密度和换热系数最大,二者随后迅速下降,且角部区域的下降趋势略大于面部。凝固初期时热流密度和换热系数的最大值位置并非位于面部中心,而是在1/4宽度处;由于宽面对钢水静压力的抵抗作用小于窄面,其界面热流密度和换热系数也略大于窄面。凝固中后期时,换热系数的区域差异逐渐趋于不明显。同时,建立了基于凝固时间和界面温度的平均换热系数的反算模型。应用2个模型所求结果计算的钢锭和钢锭模温度变化与实测值及热-流-力耦合模型结果基本一致。进一步研究发现,界面换热系数随温度的变化规律可推广应用到3~30t钢锭的模拟研究中,计算结果与实际更为符合。     

连续铸钢过程中结晶器的传热研究

 为了研究结晶器内壁温度的分布,设计了模拟结晶器工作过程的实验装置,并进行了实验。实验结果表明,结晶器内壁温度趋近于冷却水温度。基于实验,推导了结晶器边界等效导热系数。该系数用于解决金属和冷却水之间的传热,即反映结晶器的传热能力。用等效导热系数处理结晶器的边界传热,对包括结晶器在内的连铸凝固进程温度场进行数值模拟既简单又方便,并且计算结果与实验结果符合。还讨论了拉坯速度和冷却水流量对结晶器温度场的影响。     

直流电弧炉钢棒式底电极热状态数值模拟

 采用Fluent软件和文献建立的二维传热模型,对底电极稳态和非稳态的传热过程进行了数值模拟。计算中考虑了底电极物性随温度的变化、空气隙的等效对流换热系数、底电极内部电磁力和焦耳热的影响等,并采用UDF函数加以实现。通过数值模拟,研究不同底电极结构、电流强度以及绝热/绝缘材料熔损对底电极热状态的影响。计算得到的冷却水进出口温差随冶炼时间的变化与现场实测结果吻合,进一步验证了所建模型和参数选择的合理性。计算结果表明,底电极周围绝热/绝缘材料熔损和电磁力对底电极的热状态和熔化深度起着重要的作用。     

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In order to solve the problems of time-consuming and intense vibration during the calculation process of inverse heat conducting problem (IHCP) with conjugate gradient method (CGM), a non-iterative model was developed based on finite element method (FEM) and related program code was compiled with Fortran. This non-iterative method was then applied to IHCP of laminar cooling process of hot rolled steel plate to calculate the convective heat transfer coefficient in the boundary. Through comparison of the convective heat transfer coefficient obtained by both CGM and the non-iterative method, the results were shown to be consistent with each method. Furthermore, the computing result of the non-iterative method were more stable, and had an obviously faster speed, which eventually cut down the whole computing by 76%. The new method could retain high sparsity of the matrix, which is more concise than the exiting non-iterative method. Besides, the new non-iterative method could also be an efficient way to calculate the heat flux and wall temperature at the same time, which made it possible for real-time output of boundary conditions during laminar cooling process of hot rolled steel plate.     

热轧中厚板超快速冷却过程温度场数值模拟

 超快速冷却工艺作为热轧钢板生产的核心技术,对改善板材产品组织形态、提升产品性能具有重要意义。在中厚钢板的超快速冷却过程中,心部与表面之间的冷却速度差异使得钢板在厚度方向上形成内外温度差,而超快速冷却中钢板表面的换热机制较为复杂,两者综合提升了中厚板冷却机制的界定难度。为提升中厚板超快冷模型计算精度,完善其换热体系,建立了中厚钢板轧后超快速冷却过程中等效换热系数反求法的数学模型。该模型依托离散解析法,基于导热微分方程及物体正规阶段的状态特点,将求得的超越方程根转化为等效换热系数,并将此作为超快冷温度场模型的边界条件。在此基础上,构建了超快速冷却温度场仿真模型,验证了20 mm钢板超快速冷却机制下的温度场。结果表明,等效换热系数反求法的数学模型能够适用于中厚钢板的超快冷工艺。     

水平连铸结晶器内真实换热边界计算及传递模型

连铸结晶器内冷却水的流动、传热和金属液的传热、凝固全耦合计算时,模型计算效率低、收敛性差,而不考虑真实冷却水流场只进行金属液传热-凝固耦合时,模型计算精度较低,可将冷却水流动-传热和金属液传热-凝固过程分别建模,并基于二次开发的温度场量原位传递程序,将模型串联耦合。结果表明,通过耦合流场计算得到的真实冷却边界替代传统均匀界面换热系数的边界条件施加方式,在保证模型计算效率和计算精度的前提下,可准确模拟铸坯晶粒的尺寸、取向和数量,经试验验证,模拟结果与试验结果高度吻合。     

金属锂还原罐内化学反应与传热耦合特性

为了分析真空热还原制取金属锂的还原效率和还原率,综合考虑罐内球团传热和化学反应,建立了传热与反应动力学耦合模型.利用该模型对单球团和还原罐内球团还原过程进行数值模拟,得到了球团温度及还原率的时间分布,并分析了罐外换热系数对球团还原过程的影响.结果表明:球团低导热率和反应等效热汇是影响还原过程的主要因素,罐中心区域和罐壁处的温度和反应速率存在较大差值;还原初期传热为还原过程的主要控制因素,而反应后期化学反应为主要控制因素;罐外换热系数对还原过程影响不大,增强罐内传热是提高还原效率的有效途径.      

高炉冷却壁与炉气之间的换热特性

 基于边界条件替换方法建立了高炉冷却壁本体和捣打料与炉气之间的换热系数计算模型。用试验测量冷却壁近热面温度来推算冷却壁热面温度，与冷却壁温度场计算模型结合，确定了炉气温度在500~1 248 ℃范围内，高炉冷却壁与炉气之间的换热系数。结果表明，本模型的计算值与前苏联学者的试验结果吻合。