CFX数值模拟在冶金工程专业中的应用

目前数值模拟是研究冶金工程问题常用的方法。文中简述了进行数值模拟应具备的基本理论基础,并结合冶金工程问题从前处理、建立模拟文件、求解以及结果分析等方面详细介绍了使用CFX软件进行数值模拟的具体过程。

　第27卷第10期　2008年10月

实验室研究与探索

RESEARCHANDEXPLORATIONINLABORATORY

Vol.27No.10　

Oct.2008　

CFX数值模拟在冶金工程专业中的应用

韩丽辉,　刘　云,　朱　荣

(北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083)

摘　要:目前数值模拟是研究冶金工程问题常用的方法。文中简述了进行数值模拟应具备的基本理论

基础,并结合冶金工程问题从前处理、建立模拟文件、求解以及结果分析等方面详细介绍了使用CFX软件进行数值模拟的具体过程。

关键词:CFX;数值模拟;冶金工程中图分类号:TP39　　　文献标识码:A　　　文章编号:1006-7167(2008)10--05

ApplicationofCFXNumeritiurgical

lty

i2　LIUYun,　ZHURong

(andEcologicalEngineering,BeijingUniversityofScienceand

Technology,Beijing100083,China)

Abstract:ThisarticlesimplyintroducedthebasictheoryneededinnumericalsimulationanddescribedtheprocessofCFXnumericalsimulationintheresearchofmetallurgicalengineeringfrompre2process,creatingsimulationfile,solvringandresultsanalysisandsoon.

Keywords:CFX;numericalsimulation;metallurgicalengineering

CLCnumber:TP39　　　Documentcode:A　　　ArticleID:1006-7167(2008)10-0052-05

1　引　言

冶金过程非常复杂而且多数是在高温状态下完成,因此很难对冶金过程进行直接的观察与测量。虽然以相似原理为基础的冷态模拟实验使用较多,但有时会受到实验场地及实验经费的限制,而且多数缩小比例的冷态实验进行的只是定性分析,而在冶金过程动力学中所研究的化学反应速度、反应器内流体的流动与传质等现象,原则上都能用数学方法正确描述,这就使得用数学方法模拟冶金过程提供了可能,再加上计算机硬件的快速发展,对求解数学方程提供了有力手段,因此此数值模拟在冶金工程领域得到了广泛的应用。数值模拟方法不仅可以在其他方法模拟费用较高或模拟难度较大时单独使用,还可以和其他模拟方

收稿日期:2008-04-15

作者简介:韩丽辉(1972-),女,辽宁喀左人,硕士,工程师,冶金与生态学院实验中心副主任,主要从事实验教学管理和冶金过程模拟工作。Tel:62332515;E2mail:hanlihui@http://www.77cn.com.cn。

法联合使用、彼此验证,以便于更精准的分析解决冶金

工程中的物理问题。

目前一些商用CFD(ComputationalFluidDynam2ics)软件为数值模拟提供了方便手段。使用者可以不必编写复杂的数值求解程序,只需搞清楚自己的物理问题,选择合适的流体模型、设置正确的边界条件、分析计算结果是否正确等。CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件,由英国AEATechnology公司开发,目前已由美国ANSYS公司收购。该软件具有精确数值处理、稳健快速求解、丰富物理模型等特点,能够解决流动、传热、燃烧与化学反应、多相流、辐射、旋转机械等问题。

2　基本理论基础

尽管流动规律仍然满足质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律,但流体力学不同于固体力学,其根本原因在于流体在流动过程中发生了巨大的形变,使问题求解变得异常复杂,一般很难求得解析解。为此,对

目前数值模拟是研究冶金工程问题常用的方法。文中简述了进行数值模拟应具备的基本理论基础,并结合冶金工程问题从前处理、建立模拟文件、求解以及结果分析等方面详细介绍了使用CFX软件进行数值模拟的具体过程。

　第10期

韩丽辉,等:CFX数值模拟在冶金工程专业中的应用　　

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具体问题进行数值求解就成为研究流体流动的一个重要的研究方向和方法,最基本的理论基础就是计算流体力学、计算传热学。对于冶金工程专业来说,其本科阶段的专业必修课冶金传输原理就是使用CFX进行数值模拟的基本理论基础。

在基本的流动传热问题中利用质量守恒方程、动

κ2ε湍流双方程求得流体空间的速度场,量守恒方程、

利用所得的速度场和能量守恒方程求得流体空间的温度场,在计算迭代过程中,将二者耦和起来计算,最终得到流体的速度和温度分布。

以计算中间包流场温度场为例,假设中间包内钢

ε双方液为不可压缩流体,其流动状态为湍流,使用k2程求解湍流粘度。描述中间包内流体三维流动的偏微

分方程如下所述。

(1)连续方程

ijk

++=05xi5xj5xk

　　(2)动量方程

i)

+

tixixi

+e+

x5xjμik

+ρgi+

xk5xk5μμt,为有效粘度系数。μ其中:μe=e+e为钢液粘度,μt

vi

建立几何模型,几何模型就是流体流动的空间域。建

立几何模型使用的软件多为CAD类软件,如Auto2CAD、Solidwork、ProE/UG等等。由于CFX软件中提供了对称类型的边界,所以如果流动是对称的则只需沿对称面建立一半模型即可。几何模型由所有面包围而成,是封闭的空间,各个面即为边界

。值得一提的是,在CFX中几何模型一般是3

维空间,如果要建立2维模型,则在要省略的维度上建立一个网格尺寸的长度。3.2　网格划分

数值计算的过程是要求得每时每刻流场的变化,这就需要用一组有限个离散的点代替原来连续的空间。,。在CFD计算,ICEMCFD(简称)。将建好的几何模型导入ICEM,首先要进行几何修整,检查其封闭性,标记各个边界,然后进行网格划分。ICEM提供两种网格类型,即4面体网格Tet(见图1)和六面体网格Hex(见图2)。一般情况下6面体网格模拟效果好于4面体网格,但使用起来较复杂,所以对于规则形状的求解域使用6面体网格,反之使用4面体网格,或二者联合使用。在生成网格后检查网格质量,并可进行网格均匀化处理,从而提高网格质量。

=Cu09。

2

ε

,为湍流粘度。k,ε为湍流模型常数,取0.

(3)能量方程

ρ++μΦ+qc+vi=Te

5t5xtxixi　　(4)k-ε双方程

μe+vi=ε+G-ρxσktμ+ε(CG-Cρe)=+viε1ε2ε5xσKtε其中:G=μ+采用冯卡门系数:Cε1=1.43,Cε2e

xjxi

=1.93,σk=1,σ.3。ε=1

CFX针对控制体应用待解的微分方程,并将其对控制体积积分从而得到一组离散方程,数值求解后得到空间离散点上的压力、速度等物理量。

图1　普通超音速氧枪4面体网格

3　前处理

前处理即建立几何模型并对其进行划分网格,在CFX10.0以后,前处理由专业前处理软件完成。3.1　建立几何模型

使用CFX进行数值模拟的第一个前处理工作是

图2　普通超音速氧枪6面体网格

　　在模拟超音速氧枪射流时,在网格尺寸相同的情

况下,六面体网格数量明显少于4面体网格,且求解计

目前数值模拟是研究冶金工程问题常用的方法。文中简述了进行数值模拟应具备的基本理论基础,并结合冶金工程问题从前处理、建立模拟文件、求解以及结果分析等方面详细介绍了使用CFX软件进行数值模拟的具体过程。

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实　验　室　研　究　与　探　索

第27卷　

算时更容易收敛;在模拟结晶器液面波动时,如果水口

形状很复杂,可用4面体网格,反之用6面体网格较好;在模拟中间包流场时,由于几何模型结构简单,可使用6面体网格;在模 …… 此处隐藏：7733字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……