加熱爐內導熱流體仿真方法與流程

本發明涉及計算流體力學技術領域，更具體地，涉及一種加熱爐內導熱流體仿真方法。

背景技術：

目前國內外傳統CFD(Computational Fluid Dynamics，計算流體力學，簡稱CFD)研究方法，例如CFX、Fluent、Phoenics、Star-CD、CFdesign、6SigmaDC等，通常都需要前處理模塊劃分網格，以供后續程序進行計算，而劃分網格一般耗時很長、并且整個操作過程非常復雜。

技術實現要素：

本發明提供一種加熱爐內導熱流體仿真方法，用于克服現有技術的缺陷，旨在簡化操作過程、縮短仿真運算時間。

為實現上述目的，本發明提供一種加熱爐內導熱流體仿真方法，包括：

根據待模擬的加熱爐及位于所述加熱爐內的坯料的空間結構，建立三維仿真模型；

根據預設的參數對所述三維仿真模型進行LBM(Lattice Boltzmann Method，格子玻爾茲曼法，以下簡稱LBM)求解；

根據LBM的求解結果進行LBM后處理，實現加熱爐內部熱傳導流體及溫度的連續仿真。

所述根據待模擬的加熱爐及位于所述加熱爐內部的坯料的空間結構，建立三維仿真模型包括：

確定待模擬的加熱爐的平焰燒嘴的三維仿真模型；

確定待模擬的加熱爐爐體及位于所述加熱爐爐體內的坯料的三維仿真模型。

優選地，所述確定模擬的加熱爐的平焰燒嘴的三維仿真模型包括：

在SolidWorks環境中按照設定參數建立平焰燒嘴的三維仿真模型，將平焰燒嘴的三維仿真模型導入Xflow中；

在Xflow環境中進行LBM仿真實驗；

調整平焰燒嘴的安裝參數，使得仿真實驗中火焰形狀趨于平焰燒嘴實際工作時的火焰形狀。

優選地，所述確定模擬的加熱爐的爐體及坯料的三維仿真模型包括：

根據所述待模擬的加熱爐爐體的空間結構以及所述平焰燒嘴的安裝參數，在SolidWorks環境中建立加熱爐爐體的三維結構；

根據所述待模擬的坯料的空間結構及所述坯料與所述加熱爐爐體的相對位置關系，在SolidWorks環境中建立坯料的三維結構；

對建立的加熱爐爐體及坯料的三維結構表面進行簡化處理；

對建立的加熱爐爐體的三維結構中沒有空氣流經的部位進行封閉處理。

優選地，所述根據預設的參數對所述三維仿真模型進行LBM求解包括：

根據所述三維仿真模型生成格子；

將所述三維仿真模型中平焰燒嘴三維仿真模型和坯料三維仿真模型的格子細化；

將所述坯料三維仿真模型的格子再次細化；

根據坯料的熱物理參數和設定的時間參數，進行求解計算；

在根據定義的求解目標值的穩定性判斷求解結果收斂時，導入所述求解結果。

本發明提供的加熱爐內導熱流體仿真方法，首先根據加熱爐及位于加熱爐內的坯料的空間結構建立三維仿真模型，然后根據坯料的屬性等設定參數，并根據預設的參數對三維仿真模型進行LBM求解，最后再根據LBM的求解結果進行LBM后處理，實現加熱爐內部熱傳導流體及溫度的連續仿真；實現對鋼坯等坯料加熱過程的仿真，由于LBM體系在運算過程中不需要網格，因此節省了大量劃網格的時間，大大縮短了仿真時間，同時物理背景清晰，操作實現簡單，具有巨大的實際應用價值。

附圖說明

圖1為本發明實施例一的提供的加熱爐內導熱流體仿真方法的流程圖；

圖2為本發明實施例一中加熱爐的三維仿真模型的示意圖；

圖3為本發明實施例一中坯料及加熱爐的三維仿真模型的示意圖；

圖4為圖1中步驟S10的細化流程圖；

圖5為發明實施例一中平焰燒嘴的結構示意圖；

圖6為發明實施例一中平焰燒嘴三維仿真模型的示意圖；

圖7為圖4中步驟S11的細化流程圖；

圖8為圖4中步驟S12的細化流程圖；

圖9為圖1中步驟S20的細化流程圖；

圖10為圖9中步驟S21中加熱爐及坯料三維仿真模型的格子生成示意圖；

圖11為圖10的俯視圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

實施例

如圖1所示，本發明提供一種加熱爐內導熱流體仿真方法，包括以下步驟：

步驟S10，根據待模擬的加熱爐及位于所述加熱爐內的坯料的空間結構，建立三維仿真模型；

首先根據待模擬的加熱爐的空間結構建立加熱爐三維仿真模型，具體參見圖2，然后根據坯料的空間結構以及坯料在加熱爐內的位置關系建立坯料的三維仿真模型，最后兩者的綜合就得到了所需的三維仿真模型，坯料A、加熱爐B以及位于加熱爐B頂部的多個平焰燒嘴C的空間結構參見圖3，建模時可以通過三維制圖軟件實現。

步驟S20，根據預設的參數對所述三維仿真模型進行LBM求解；

將步驟S10中建立的三維仿真模型導入LMB系統后，還需要根據坯料的屬性設定燒嘴的空氣流量、燃氣流量等物理參數，坯料、壁面的邊界條件的相關參數進行設置，以及設定的總時間步長、頻率等參數，然后LMB系統根據上述仿真模型及設定的參數進行計算求解。

粒子分布函數f(r,e,t)，drde表示在t時刻，在空間r處，粒子的速度在e到e+de的粒子數密度。

由統計力學可知，粒子分布函數f的演化滿足以下方程：

其中F表示外力，Ω為碰撞項。

根據現行化的BGK碰撞模型：

其中f^eq是平衡態時的分布函數，τ為無量綱弛豫時間，表征流體恢復到平衡態時的速度。

其中v為運動粘性，T為溫度。

粒子分布函數f滿足Lattice Boltzmann方程：

其中，下標i表示給定的粒子運動方向，Δt為時間步長。

流體密度ρ和動量ρu可由分布函數求得：

壓力可由下面的等熵狀態方程直接計算獲得：

上面的公式考慮密度有微小壓縮性。

按照以下公式限制τ，使得數值具備穩定性：

采用三維模型D3Q19模型進行LBM求解：

由以下平衡分布函數

其中Δx為網格步長，Δt為時間步長；

先由初始時刻t₀的ρ₀和u₀得到f_i^eq，通過遷移和碰撞得到新的粒子分布函數f_i，在計算出新時刻t₁的ρ₁和u₁，將ρ₁和u₁作為新的初始值進行下一個時刻的計算。

步驟S30，根據LBM的求解結果進行LBM后處理，實現加熱爐內部熱傳導流體及溫度的連續仿真。這里的后處理即可視化操作，也就是將仿真計算結果(以數字文檔的形式)以流線圖、溫度分布圖等圖像的方式顯示出來。

通過微元(在LBM中是格子)的計算，傳遞到整個流體域，流體的任意時間的各種物理參數通過N-S方程(Navier-Stokes equations納維-斯托克斯方程組，描述粘性流體動量守恒的運動方程，反映了粘性流體又稱真實流體流動的基本力學規律)與其他的數學方程的聯立求解都可以得到，將獲得溫度、流速等物理參數隨時間的連續變化通過圖像呈現出來即實現了加熱爐內部熱傳導流體及溫度的連續仿真。

本發明提供的加熱爐內導熱流體仿真方法，首先根據加熱爐及位于加熱爐內的坯料的空間結構建立三維仿真模型，然后根據坯料的屬性等設定參數，并根據預設的參數對三維仿真模型進行LBM求解，最后再根據LBM的求解結果進行LBM后處理，實現加熱爐內部熱傳導流體及溫度的連續仿真；實現對鋼坯等坯料加熱過程的仿真，由于LBM體系在運算過程中不需要網格，因此節省了大量劃網格的時間，大大縮短了仿真時間，同時物理背景清晰，操作實現簡單，具有巨大的實際應用價值。

本發明面向鋼鐵行業節能降耗背景下迫切需求，以鋼坯加熱過程為研究坯料，對加熱過程進行仿真；本發明采取CFD的方法對加熱爐進行仿真，此方法相當于在計算機內對步進梁式鋼坯加熱爐進行“虛擬”的實驗，此方法具有成本低、周期短、環境寬的優點。在加熱爐設計中引入CFD技術，可以減少設計失誤和實驗研究所需的費用，預測爐內氣流、溫度等分布，通過相應技術對各項指標進行優化計算，以達到高效、低排放的目標。

參見圖4，其中步驟S10包括以下步驟：

步驟S11，確定待模擬的加熱爐的平焰燒嘴的三維仿真模型；平焰燒嘴的結構可以通過三維軟件繪制獲得，具體參見圖5。

一臺加熱爐通過多個平焰燒嘴向加熱爐內噴火，以對加熱爐內的坯料進行加熱，平焰燒嘴安裝在加熱爐的頂部，平焰燒嘴的接頭部分位于加熱爐外部用于通入燃料和空氣，平焰燒嘴的風盤部分位于加熱爐內用于將進入空氣以螺旋向前推進的方式運動，從而使風盤前部噴嘴噴出的燃料燃燒產生螺旋向前的火焰，其中加熱爐的頂部內壁上需要預留或加工用于安裝平焰燒嘴的凹槽，凹槽起到導流作用，與燃料及空氣的配比、壓力、流量等參數共同改變火焰的形狀，凹槽的形狀尺寸作為平焰燒嘴三維仿真模型的一部分通過LBM仿真實驗來獲得。

步驟S12，確定待模擬的加熱爐爐體及位于加熱爐爐體內的坯料的三維仿真模型。

加熱爐爐體的結構可以通過三維軟件繪制獲得，具體參見圖2。

位于加熱爐爐體內的坯料的結構可以通過三維軟件繪制獲得，參見圖3。

參見圖7，其中步驟S11包括以下步驟：

步驟S111，在SolidWorks環境中按照設定參數建立平焰燒嘴的三維仿真模型，將平焰燒嘴的三維仿真模型導入Xflow中；

這里設定參數指的是按照待模仿的平焰燒嘴的實際結構和尺寸設定的參數，在SolidWorks繪圖軟件中繪制平焰燒嘴的三維結構，參見圖5。當然也本發明的其他實施例中也可以在AuctoCAD等其他繪圖軟件中繪制。

步驟S112，在Xflow環境中進行LBM仿真實驗；

步驟S113，調整平焰燒嘴的安裝參數，使得仿真實驗中火焰形狀趨于平焰燒嘴實際工作時的火焰形狀。這里的安裝參數指的是將平焰燒嘴安裝在加熱爐爐體內頂壁上時，位于加熱爐爐體內頂壁的凹槽的結構參數。

在LBM仿真實驗過程中觀察平焰燒嘴的火焰形狀，并與實際的步進梁式鋼坯加熱爐平焰燒嘴工作時的火焰形狀作對比，并調整平焰燒嘴的安裝參數，反復對比調整，直到LBM仿真實驗中的火焰形狀與實際的步進梁式鋼坯加熱爐平焰燒嘴工作時的火焰形狀相同，確定步進梁式鋼坯加熱爐平焰燒嘴的精確模型，參見圖6。

參見圖8，其中步驟S12包括以下步驟：

步驟S121，根據待模擬的加熱爐爐體的空間結構以及平焰燒嘴的安裝參數，在SolidWorks環境中建立加熱爐爐體的三維結構；使用SolidWorks軟件CAD模塊，根據所需對步進梁式鋼坯加熱爐爐體建立三維結構。

步驟S122，根據待模擬的坯料的空間結構及坯料與加熱爐爐體的相對位置關系，在SolidWorks環境中建立坯料的三維結構；在上述步進梁式鋼坯加熱爐爐體三維結構的基礎上，使用SolidWorks軟件CAD模塊，根據對步進梁式鋼坯加熱爐與坯料的位置關系，建立坯料的三維結構，進而形成加熱爐爐體及坯料的三維結構。

步驟S123，對建立的加熱爐爐體及坯料的三維結構表面進行簡化處理；具體包括對建立的加熱爐爐體及坯料的三維結構表面的小圓角或小孔(包括工藝孔或吊裝孔等)進行去除處理，并對建立的加熱爐爐體及坯料的三維結構表面的小尖角進行平滑處理；

步驟S124，對建立的加熱爐爐體的三維結構中沒有空氣流經的部位進行封閉處理。這里指的是對加熱爐爐體的三維結構中理論上沒有空氣流經的部位表面進行封閉，減沒有必要的計算，提高計算效率。

參見圖9，其中步驟S20包括以下步驟：

步驟S21，根據所述三維仿真模型生成格子；這里的三維仿真模型包括加熱爐三維仿真模型和坯料三維仿真模型，其中加熱爐三維仿真模型包括加熱爐爐體三維仿真模型和平焰燒嘴三維仿真模型；在Xflow軟件中按照上述三維仿真模型的結構生成格子。參見圖10、圖11。

步驟S22，將所述三維仿真模型中平焰燒嘴三維仿真模型和坯料三維仿真模型的格子細化；格子越細，計算的精度越高。

步驟S23，將所述坯料三維仿真模型的格子再次細化；根據需求，有選擇性地對局部三維仿真模型進行區分，能夠在仿真度和計算效率之間找到平衡，保證高度仿真效果的同時，不失效率。

步驟S24，根據坯料的熱物理參數和設定的時間參數，進行求解計算；根據坯料的材料屬性，設置坯料(實施例中選用鋼坯)的熱物理參數(包括密度、熱傳導系數、比熱容等)，平焰燒嘴的空氣流量、燃氣流量，鋼坯、壁面的邊界條件的相關參數進行設置，設定的總時間步長，開始計算。

步驟S25，在根據定義的求解目標值的穩定性判斷求解結果收斂時，導入所述求解結果。

由于LBM求解的Lattice Boltzmann方程屬于建立離散方程組的方法，只能用數學方法求得近似解，而近似解與精確解之間會產生誤差，若誤差通過計算不會擴大，并控制在一定的范圍內，則稱求解結果收斂，反之則為發散。這個控制的范圍也就是求解目標值的穩定性判斷標準，如果求解結果收斂，則認為求解結果可行，并將其導入到后處理程序，通過后處理觀察步進梁式鋼坯加熱爐內部的空氣流動。

最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。