加热炉内导热流体仿真方法与流程

本发明涉及计算流体力学技术领域，更具体地，涉及一种加热炉内导热流体仿真方法。

背景技术：

目前国内外传统CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体力学，简称CFD)研究方法，例如CFX、Fluent、Phoenics、Star-CD、CFdesign、6SigmaDC等，通常都需要前处理模块划分网格，以供后续程序进行计算，而划分网格一般耗时很长、并且整个操作过程非常复杂。

技术实现要素：

本发明提供一种加热炉内导热流体仿真方法，用于克服现有技术的缺陷，旨在简化操作过程、缩短仿真运算时间。

为实现上述目的，本发明提供一种加热炉内导热流体仿真方法，包括：

根据待模拟的加热炉及位于所述加热炉内的坯料的空间结构，建立三维仿真模型；

根据预设的参数对所述三维仿真模型进行LBM(Lattice Boltzmann Method，格子玻尔兹曼法，以下简称LBM)求解；

根据LBM的求解结果进行LBM后处理，实现加热炉内部热传导流体及温度的连续仿真。

所述根据待模拟的加热炉及位于所述加热炉内部的坯料的空间结构，建立三维仿真模型包括：

确定待模拟的加热炉的平焰烧嘴的三维仿真模型；

确定待模拟的加热炉炉体及位于所述加热炉炉体内的坯料的三维仿真模型。

优选地，所述确定模拟的加热炉的平焰烧嘴的三维仿真模型包括：

在SolidWorks环境中按照设定参数建立平焰烧嘴的三维仿真模型，将平焰烧嘴的三维仿真模型导入Xflow中；

在Xflow环境中进行LBM仿真实验；

调整平焰烧嘴的安装参数，使得仿真实验中火焰形状趋于平焰烧嘴实际工作时的火焰形状。

优选地，所述确定模拟的加热炉的炉体及坯料的三维仿真模型包括：

根据所述待模拟的加热炉炉体的空间结构以及所述平焰烧嘴的安装参数，在SolidWorks环境中建立加热炉炉体的三维结构；

根据所述待模拟的坯料的空间结构及所述坯料与所述加热炉炉体的相对位置关系，在SolidWorks环境中建立坯料的三维结构；

对建立的加热炉炉体及坯料的三维结构表面进行简化处理；

对建立的加热炉炉体的三维结构中没有空气流经的部位进行封闭处理。

优选地，所述根据预设的参数对所述三维仿真模型进行LBM求解包括：

根据所述三维仿真模型生成格子；

将所述三维仿真模型中平焰烧嘴三维仿真模型和坯料三维仿真模型的格子细化；

将所述坯料三维仿真模型的格子再次细化；

根据坯料的热物理参数和设定的时间参数，进行求解计算；

在根据定义的求解目标值的稳定性判断求解结果收敛时，导入所述求解结果。

本发明提供的加热炉内导热流体仿真方法，首先根据加热炉及位于加热炉内的坯料的空间结构建立三维仿真模型，然后根据坯料的属性等设定参数，并根据预设的参数对三维仿真模型进行LBM求解，最后再根据LBM的求解结果进行LBM后处理，实现加热炉内部热传导流体及温度的连续仿真；实现对钢坯等坯料加热过程的仿真，由于LBM体系在运算过程中不需要网格，因此节省了大量划网格的时间，大大缩短了仿真时间，同时物理背景清晰，操作实现简单，具有巨大的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例一的提供的加热炉内导热流体仿真方法的流程图；

图2为本发明实施例一中加热炉的三维仿真模型的示意图；

图3为本发明实施例一中坯料及加热炉的三维仿真模型的示意图；

图4为图1中步骤S10的细化流程图；

图5为发明实施例一中平焰烧嘴的结构示意图；

图6为发明实施例一中平焰烧嘴三维仿真模型的示意图；

图7为图4中步骤S11的细化流程图；

图8为图4中步骤S12的细化流程图；

图9为图1中步骤S20的细化流程图；

图10为图9中步骤S21中加热炉及坯料三维仿真模型的格子生成示意图；

图11为图10的俯视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本发明提供一种加热炉内导热流体仿真方法，包括以下步骤：

步骤S10，根据待模拟的加热炉及位于所述加热炉内的坯料的空间结构，建立三维仿真模型；

首先根据待模拟的加热炉的空间结构建立加热炉三维仿真模型，具体参见图2，然后根据坯料的空间结构以及坯料在加热炉内的位置关系建立坯料的三维仿真模型，最后两者的综合就得到了所需的三维仿真模型，坯料A、加热炉B以及位于加热炉B顶部的多个平焰烧嘴C的空间结构参见图3，建模时可以通过三维制图软件实现。

步骤S20，根据预设的参数对所述三维仿真模型进行LBM求解；

将步骤S10中建立的三维仿真模型导入LMB系统后，还需要根据坯料的属性设定烧嘴的空气流量、燃气流量等物理参数，坯料、壁面的边界条件的相关参数进行设置，以及设定的总时间步长、频率等参数，然后LMB系统根据上述仿真模型及设定的参数进行计算求解。

粒子分布函数f(r,e,t)，drde表示在t时刻，在空间r处，粒子的速度在e到e+de的粒子数密度。

由统计力学可知，粒子分布函数f的演化满足以下方程：

其中F表示外力，Ω为碰撞项。

根据现行化的BGK碰撞模型：

其中f^eq是平衡态时的分布函数，τ为无量纲弛豫时间，表征流体恢复到平衡态时的速度。

其中v为运动粘性，T为温度。

粒子分布函数f满足Lattice Boltzmann方程：

其中，下标i表示给定的粒子运动方向，Δt为时间步长。

流体密度ρ和动量ρu可由分布函数求得：

压力可由下面的等熵状态方程直接计算获得：

上面的公式考虑密度有微小压缩性。

按照以下公式限制τ，使得数值具备稳定性：

采用三维模型D3Q19模型进行LBM求解：

由以下平衡分布函数

其中Δx为网格步长，Δt为时间步长；

先由初始时刻t₀的ρ₀和u₀得到f_i^eq，通过迁移和碰撞得到新的粒子分布函数f_i，在计算出新时刻t₁的ρ₁和u₁，将ρ₁和u₁作为新的初始值进行下一个时刻的计算。

步骤S30，根据LBM的求解结果进行LBM后处理，实现加热炉内部热传导流体及温度的连续仿真。这里的后处理即可视化操作，也就是将仿真计算结果(以数字文档的形式)以流线图、温度分布图等图像的方式显示出来。

通过微元(在LBM中是格子)的计算，传递到整个流体域，流体的任意时间的各种物理参数通过N-S方程(Navier-Stokes equations纳维-斯托克斯方程组，描述粘性流体动量守恒的运动方程，反映了粘性流体又称真实流体流动的基本力学规律)与其他的数学方程的联立求解都可以得到，将获得温度、流速等物理参数随时间的连续变化通过图像呈现出来即实现了加热炉内部热传导流体及温度的连续仿真。

本发明提供的加热炉内导热流体仿真方法，首先根据加热炉及位于加热炉内的坯料的空间结构建立三维仿真模型，然后根据坯料的属性等设定参数，并根据预设的参数对三维仿真模型进行LBM求解，最后再根据LBM的求解结果进行LBM后处理，实现加热炉内部热传导流体及温度的连续仿真；实现对钢坯等坯料加热过程的仿真，由于LBM体系在运算过程中不需要网格，因此节省了大量划网格的时间，大大缩短了仿真时间，同时物理背景清晰，操作实现简单，具有巨大的实际应用价值。

本发明面向钢铁行业节能降耗背景下迫切需求，以钢坯加热过程为研究坯料，对加热过程进行仿真；本发明采取CFD的方法对加热炉进行仿真，此方法相当于在计算机内对步进梁式钢坯加热炉进行“虚拟”的实验，此方法具有成本低、周期短、环境宽的优点。在加热炉设计中引入CFD技术，可以减少设计失误和实验研究所需的费用，预测炉内气流、温度等分布，通过相应技术对各项指标进行优化计算，以达到高效、低排放的目标。

参见图4，其中步骤S10包括以下步骤：

步骤S11，确定待模拟的加热炉的平焰烧嘴的三维仿真模型；平焰烧嘴的结构可以通过三维软件绘制获得，具体参见图5。

一台加热炉通过多个平焰烧嘴向加热炉内喷火，以对加热炉内的坯料进行加热，平焰烧嘴安装在加热炉的顶部，平焰烧嘴的接头部分位于加热炉外部用于通入燃料和空气，平焰烧嘴的风盘部分位于加热炉内用于将进入空气以螺旋向前推进的方式运动，从而使风盘前部喷嘴喷出的燃料燃烧产生螺旋向前的火焰，其中加热炉的顶部内壁上需要预留或加工用于安装平焰烧嘴的凹槽，凹槽起到导流作用，与燃料及空气的配比、压力、流量等参数共同改变火焰的形状，凹槽的形状尺寸作为平焰烧嘴三维仿真模型的一部分通过LBM仿真实验来获得。

步骤S12，确定待模拟的加热炉炉体及位于加热炉炉体内的坯料的三维仿真模型。

加热炉炉体的结构可以通过三维软件绘制获得，具体参见图2。

位于加热炉炉体内的坯料的结构可以通过三维软件绘制获得，参见图3。

参见图7，其中步骤S11包括以下步骤：

步骤S111，在SolidWorks环境中按照设定参数建立平焰烧嘴的三维仿真模型，将平焰烧嘴的三维仿真模型导入Xflow中；

这里设定参数指的是按照待模仿的平焰烧嘴的实际结构和尺寸设定的参数，在SolidWorks绘图软件中绘制平焰烧嘴的三维结构，参见图5。当然也本发明的其他实施例中也可以在AuctoCAD等其他绘图软件中绘制。

步骤S112，在Xflow环境中进行LBM仿真实验；

步骤S113，调整平焰烧嘴的安装参数，使得仿真实验中火焰形状趋于平焰烧嘴实际工作时的火焰形状。这里的安装参数指的是将平焰烧嘴安装在加热炉炉体内顶壁上时，位于加热炉炉体内顶壁的凹槽的结构参数。

在LBM仿真实验过程中观察平焰烧嘴的火焰形状，并与实际的步进梁式钢坯加热炉平焰烧嘴工作时的火焰形状作对比，并调整平焰烧嘴的安装参数，反复对比调整，直到LBM仿真实验中的火焰形状与实际的步进梁式钢坯加热炉平焰烧嘴工作时的火焰形状相同，确定步进梁式钢坯加热炉平焰烧嘴的精确模型，参见图6。

参见图8，其中步骤S12包括以下步骤：

步骤S121，根据待模拟的加热炉炉体的空间结构以及平焰烧嘴的安装参数，在SolidWorks环境中建立加热炉炉体的三维结构；使用SolidWorks软件CAD模块，根据所需对步进梁式钢坯加热炉炉体建立三维结构。

步骤S122，根据待模拟的坯料的空间结构及坯料与加热炉炉体的相对位置关系，在SolidWorks环境中建立坯料的三维结构；在上述步进梁式钢坯加热炉炉体三维结构的基础上，使用SolidWorks软件CAD模块，根据对步进梁式钢坯加热炉与坯料的位置关系，建立坯料的三维结构，进而形成加热炉炉体及坯料的三维结构。

步骤S123，对建立的加热炉炉体及坯料的三维结构表面进行简化处理；具体包括对建立的加热炉炉体及坯料的三维结构表面的小圆角或小孔(包括工艺孔或吊装孔等)进行去除处理，并对建立的加热炉炉体及坯料的三维结构表面的小尖角进行平滑处理；

步骤S124，对建立的加热炉炉体的三维结构中没有空气流经的部位进行封闭处理。这里指的是对加热炉炉体的三维结构中理论上没有空气流经的部位表面进行封闭，减没有必要的计算，提高计算效率。

参见图9，其中步骤S20包括以下步骤：

步骤S21，根据所述三维仿真模型生成格子；这里的三维仿真模型包括加热炉三维仿真模型和坯料三维仿真模型，其中加热炉三维仿真模型包括加热炉炉体三维仿真模型和平焰烧嘴三维仿真模型；在Xflow软件中按照上述三维仿真模型的结构生成格子。参见图10、图11。

步骤S22，将所述三维仿真模型中平焰烧嘴三维仿真模型和坯料三维仿真模型的格子细化；格子越细，计算的精度越高。

步骤S23，将所述坯料三维仿真模型的格子再次细化；根据需求，有选择性地对局部三维仿真模型进行区分，能够在仿真度和计算效率之间找到平衡，保证高度仿真效果的同时，不失效率。

步骤S24，根据坯料的热物理参数和设定的时间参数，进行求解计算；根据坯料的材料属性，设置坯料(实施例中选用钢坯)的热物理参数(包括密度、热传导系数、比热容等)，平焰烧嘴的空气流量、燃气流量，钢坯、壁面的边界条件的相关参数进行设置，设定的总时间步长，开始计算。

步骤S25，在根据定义的求解目标值的稳定性判断求解结果收敛时，导入所述求解结果。

由于LBM求解的Lattice Boltzmann方程属于建立离散方程组的方法，只能用数学方法求得近似解，而近似解与精确解之间会产生误差，若误差通过计算不会扩大，并控制在一定的范围内，则称求解结果收敛，反之则为发散。这个控制的范围也就是求解目标值的稳定性判断标准，如果求解结果收敛，则认为求解结果可行，并将其导入到后处理程序，通过后处理观察步进梁式钢坯加热炉内部的空气流动。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。