本发明属于铁水脱硫技术领域，涉及一种脱硫剂在铁水中的运动轨迹研究方法，具体涉及一种模拟脱硫剂在铁水中运动轨迹方法。
背景技术：
铁水机械搅拌脱硫是生产高品质钢尤其是特殊用途钢(如航母夹板用钢)和高附加值钢(如硅钢)必备的工序，也是洁净钢生产过程的关键技术之一，对提高炼钢质量具有十分重要的意义，因此为了更好的实现铁水脱硫的效果，通常会在实际脱硫之前对脱硫剂在铁水中的运动情况进行模拟，寻找满足脱硫剂扩散分布最大时脱硫搅拌器的尺寸及转速。现有技术中，脱硫剂运动轨迹模拟方法主要有fluent流体模拟和图像处理两种方法。
用fluent模拟主要是通过三维建模软件制作出铁水罐与搅拌器、脱硫剂的三维模型然后导入ansys中，通过输入铁水搅拌器的转速及铁水的属性等参数得到脱硫剂的运动轨迹。
图像处理的方法则是要通过进行铁水脱硫实验来得到最终结果，它是通过制造不同尺寸的圆柱形透明罐子来模拟不同尺寸的铁水罐，然后制造不同尺寸的搅拌器，最后在用水来代替铁水，用带有颜色的小颗粒来代替脱硫剂，在实验室中进行实验：观察在不同尺寸的铁水罐及搅拌器在工作时脱硫剂在铁水中的扩散情况并用高速相机拍摄下来，在后期用图像处理技术计算照片中脱硫剂在水中扩散后的面积比来得到脱硫剂的扩散情况。
上述研究方法都是建立在宏观尺寸上的，可以对脱硫剂在铁水中的扩散情况进行定性或定量分析，由于在模拟脱硫剂在铁水中的运动轨迹时涉及到铁水罐尺寸、搅拌器尺寸、搅拌器转速诸多变量，当这些变量变化时需要重新建立三维模型或者需要重新进行实验，过程十分复杂，因此宏观研究方法对模拟的效率有很大的影响。分子动力学能在宏观研究与微观模拟之间建立一种联系，被认为时新世纪除理论分析和实验观察外的第三种科学手段。以分子动力学为理论指导结合分子动力学软件，目前还缺乏从微观模拟的角度上来分析脱硫剂在铁水中的运动轨迹的相关技术。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种全新的脱硫剂在铁水脱硫搅拌时运动轨迹的模拟方法，此方法在铁水罐罐体、铁水搅拌器尺寸、铁水搅拌器转速发生变化时能够快速简便的修改模型参数。
为了实现上述方法所采用的技术方案是：
一种模拟脱硫剂在铁水中运动轨迹方法，其特征在于：本方法基于分子动力学软件lammps建立铁水罐及脱硫剂的微观模型，包括以下步骤：
步骤一：首先在lammps软件建模环境中建立三维坐标系，基于铁水罐的尺寸，以坐标原点为基点，建立一个圆柱型的simulationbox，simulationbox表示铁水罐模型；
步骤二：在基于步骤一的similationbox内创建多个球形的region，region为一个空间几何区域，表示脱硫剂的起始位置，创建完成之后在region内创建分子，创建完成后每一个region内的分子即为模拟的一个脱硫剂颗粒，然后将每一个region分类成一个group；
步骤三：通过lammps对铁水罐及脱硫剂的微观模型进行相应参数的设定，完成分子动力学模型撰写设定；
步骤四：将写好的分子动力学模型通过ubuntu导入lammps软件，生成铁水罐及脱硫剂的微观模型；
步骤五：根据需要模拟的搅拌流场参数，在微观模型里通过fix命令输入相应的搅拌流场参数，运行后得到相应的模拟结果并得到lammpstrj文件与log文件；
步骤六：基于matlab软件对步骤五得到的log文件进行数据处理，并通过vmd处理lammpstrj文件，对脱硫剂的运动轨迹进行可视化处理，得到相应搅拌流场参数下脱硫剂在铁水罐中运动轨迹。
作为改进，步骤三中，微观模型的参数设定包括分子间的势能选择，维度选择，设置键长，周期性边界条件，系宗选择，设置步长和步数，分子间的力场系数，晶格结构以及计算方法的设定。
作为改进，步骤五中，所述流场参数包括搅拌器尺寸以及铁水的流速、温度和液面高度参数。
作为改进，所述计算方法选择l-j势，l-j最为用来描述两个中性原子或分子之间的相互作用模型，公式如下：
ε是势井深度，反应两个原子或分子间相互吸引作用的强弱；σ是作用势等于0时原子或分子间的距离，r为计算过程中原子或分子间距离，vlj为l-j势。
作为改进，修改铁水罐尺寸和搅拌流场参数，按照步骤一至步骤六得到在不同尺寸和搅拌流场参数的铁水罐及脱硫剂的微观模型，分析在不同尺寸和搅拌流场参数的情况下，脱硫剂在铁水中扩散的变化规律。
本发明的有益效果是：
本发明从微观学上模拟了宏观尺寸上脱硫剂在铁水中运动轨迹，对高品质钢的生产提供了技术改进的模拟手段，本发明采用的方法更加真实的反应了脱硫剂在铁水中运动力学性质，对与不同尺寸和条件的运动模拟需要更改参数即可，无需重新建模，简单高效。
附图说明
图1为本发明流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行举例说明。
需要说明的是本发明中给出定义的英文以本发明定义为准，没有给出定义的按照通常含义理解，本发明采用的lammp即分子动力学软件；simulationbox表示铁水罐模型，简称铁水罐；region定义一个空间几何区域，本方法中定义为含有脱硫剂起始位置的空间区域；group将定义的region区域中包含的原子定义成一个组，用来对区域中的原子施加作用力；fix为lammps软件的一个命令，该命令可以对一组原子施加约束；vmd是一个分子可视化程序，用于将生成铁水罐及脱硫剂的微观模型进行可视化处理；lammpstrj文件含有各种坐标数据的输出文件；log文件为系统日志文件；matlab是美国mathworks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。
如图1所示，一种模拟脱硫剂在铁水中运动轨迹方法，本方法基于分子动力学软件lammps建立铁水罐及脱硫剂的微观模型，包括以下步骤：
步骤一：首先在lammps软件建模环境中建立三维坐标系，基于铁水罐的尺寸，以坐标原点(0，0，0)为基点，建立一个圆柱型的simulationbox，simulationbox表示铁水罐模型；
步骤二：在基于步骤一的similationbox内创建多个球形的region，region为一个空间几何区域，表示脱硫剂的起始位置，创建完成之后在region内创建分子，创建完成后每一个region内的分子即为模拟的一个脱硫剂颗粒，然后将每一个region分类成一个group；
步骤三：通过lammps对铁水罐及脱硫剂的微观模型进行相应参数的设定；
步骤四：将写好的分子动力学模型通过ubuntu导入lammps软件，生成铁水罐及脱硫剂的微观模型；
步骤五：根据需要模拟的搅拌流场参数，在微观模型里通过fix命令输入相应的搅拌流场参数，运行后得到相应的模拟结果并得到lammpstrj文件与log文件，所述流场参数包括搅拌器尺寸以及铁水的流速、温度和液面高度参数；
步骤六：基于matlab软件对步骤五得到的log文件进行数据处理，并通过vmd处理lammpstrj文件，对脱硫剂的运动轨迹进行可视化处理，得到相应搅拌流场参数下脱硫剂在铁水罐中运动轨迹。
步骤七：修改铁水罐及脱硫剂尺寸，按照步骤一至步骤六得到在不同尺寸和搅拌流场参数的铁水罐及脱硫剂的微观模型，分析在不同尺寸和搅拌流场参数的情况下，脱硫剂在铁水中扩散的变化规律。
微观模型的参数设定包括分子间的势能选择，维度选择，设置键长，周期性边界条件，系宗选择，设置步长和步数，分子间的力场系数，晶格结构以及计算方法的设定。
所述计算方法选择l-j势，l-j最为用来描述两个中性原子或分子之间的相互作用模型，公式如下：
ε是势井深度，反应两个原子或分子间相互吸引作用的强弱；σ是作用势等于0时原子或分子间的距离，r为计算过程中原子或分子间距离，vlj为l-j势。