一种高炉风口回旋区焦炭燃烧特性仿真分析方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115238598A(43)申请公布日2022.10.25(21)申请号202210650706.7G16C20/10(2019.01)(22)申请日2022.06.09G06F111/10(2020.01)G06F113/08(2020.01)(71)申请人南京澳博工业智能科技研究院有限G06F119/14(2020.01)公司地址211899江苏省南京市浦口区新北路1号江北国际智谷A座11层申请人鑫铂斯（南京）智能科技有限公司(72)发明人鄂殿玉荆祎王琪崔佳鑫郑奇军焦璐璐蒋友源姜泽毅(74)专利代理机构南京华恒专利代理事务所(普通合伙)32335专利代理师高春涛(51)Int.Cl.G06F30/28(2020.01)G06F30/25(2020.01)权利要求书2页说明书6页附图2页(54)发明名称一种高炉风口回旋区焦炭燃烧特性仿真分析方法(57)摘要一种高炉风口回旋区焦炭燃烧特性仿真分析方法，建立高炉风口回旋区中气体运动过程中的气体相控制方程，所述气体相控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程和化学组分方程；建立颗粒相控制方程，所述颗粒相控制方程包括平动方程、转动方程、能量方程和化学组分方程；进行CFD‑DEM耦合仿真，从颗粒尺度下解析了回旋区动态演变过程及焦炭燃烧特性。本发明完全考虑了风口回旋区的流动、传热及化学反应过程，开发了风口回旋区焦炭化学反应模型，并进行了回旋区焦炭反应动力学的耦合仿真，进而建立了一个能够考虑回旋区化学反应（包括焦炭燃烧及气化反应）及焦炭颗粒物性（粒径）变化的CFD‑DEM模型，为高炉风口回旋区的优化控制提供理论依据。CN115238598ACN115238598A权利要求书1/2页1.一种高炉风口回旋区焦炭燃烧特性仿真分析方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)建立高炉风口回旋区物理模型；(2)建立高炉风口回旋区中气体运动过程中的气体相控制方程，所述气体相控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程和化学组分方程；(3)建立颗粒相控制方程，所述颗粒相控制方程包括平动方程、转动方程、能量方程和化学组分方程；(4)进行CFD‑DEM耦合仿真，从颗粒尺度下分析回旋区动态演变过程及焦炭燃烧特性。2.根据权利要求1所述的高炉风口回旋区焦炭燃烧特性仿真分析方法，其特征在于：步骤(2)所述连续性方程为：3其中：ε为气体体积分数；ρg为气体密度,kg/m；ug为气体速度矢量,m/s；Smf为由于化学反应产生的气体组分源相，kg/(m3·s)；t为时间，s；所述动量方程为：2其中：g为重力加速度，m/s；Fgp为气体颗粒间相互作用力，N；τ为应力张量，Pa；p为压力，Pa；所述能量方程为：其中：Tg为气体温度，K；cg为气体比热容，J/(kg·K)；kp为气体导热系数，W/(m·K)；Qg,i为气体和颗粒间的热对流，W；Qg,wall为气体与壁面之间的热流，W；Qreac为化学反应热，W；i为颗粒符号，表示颗粒；kv为一个计算网格内颗粒的数目；V为计算网格的体积；所述化学组分方程为：3其中：Cm为化学组分m的浓度分数；Sm为化学反应源相，kg/(m·s)；Γm为组分m的扩散系数，m2/s。3.根据权利要求1所述的高炉风口回旋区焦炭燃烧特性仿真分析方法，其特征在于：步骤(3)所述平动方程为：2其中：mi为颗粒质量，kg；Ii为转动惯量，kg·m；vi为颗粒平动速度，m/s；ωi为颗粒角速度，rad/s；fe,ij为颗粒i、j之间弹性力，N；fd,ij为颗粒i、j之间粘性阻尼力，N；fd,i为气体对颗粒间的曳力，N；mig为颗粒重力，N；所述转动方程为：2CN115238598A权利要求书2/2页其中：Tt,ij为颗粒i、j之间切向力矩，N/m；Tn,ij为颗粒i、j之间法向力矩，N/m；Ii为转动2惯量，kg·m；ωi为颗粒角速度，rad/s；Tr,ij为颗粒i、j之间滚动摩擦力矩，N/m；所述能量方程为：其中：Ti为颗粒温度，K；cp,i为颗粒比热容，J/(kg·K)；Qi,j为颗粒i、j之间导热传热量，W；Qi,g为颗粒与气体间的对流传热量，W；Qi,rad为颗粒对周围环境的热辐射，W；Qi,reac为化学反应热，W；所述化学组分方程为：3其中：ci,m为颗粒中组分m的浓度，kg/m；si,m为颗粒中组分m的反应速率，kg/s。4.根据权利要求1所述的高炉风口回旋区焦炭燃烧特性仿真分析方法，其特征在于：步骤(4)进行CFD‑DEM耦合仿真计算，首先通过DEM生成初始床层，然后在DEM中计算单元中的孔隙率，颗粒‑流体相互作用力、热量及化学组分传递，最后将该信息用于CFD以确定流体流动、传热及化学组分传递，并分别找到颗粒‑流体相互作用力、热量及组分交