一种高炉风口回旋区深度计算方法及系统与流程

本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种高炉风口回旋区深度计算方法及系统。

背景技术：

高炉是一个复杂的逆流式反应器，从高炉下部吹进的高温高压的热风，在风口回旋区与焦炭发生燃烧反应，产生煤气流。煤气流在上升过程中，与高炉上部加入的矿石之间进行能量交换，发生还原反应，生成铁水和炉渣。风口回旋区是高炉稳定操作不可缺少的重要反应区，高炉风口回旋区的深度和反应情况，直接影响着高炉煤气分布、炉料下降以及整个高炉的传热传质过程。

现有技术中，一般是采用欧拉模型建立风口回旋区的机理模型，然后利用机理模型，计算不同条件下的风口回旋区深度。

然而，采用现有的采用机理模型来计算回旋区深度的方法中，模型需要的参数和条件较多，比如炉壁的近壁区域使用标准壁面函数、喷煤参数、死料柱表面使用壁面条件等，使得计算复杂，并且该方法的计算时间较长，导致效率低下。

可见，现有技术中的高炉风口回旋区深度的计算方法，存在实现复杂、效率低的技术问题。

技术实现要素：

本发明提供一种高炉风口回旋区深度的计算方法及系统，用以解决现有技术中高炉风口回旋区深度计算方法的实现复杂、效率低的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种高炉风口回旋区深度计算方法，包括：获取利用欧拉模型得到的回旋区深度的计算结果；根据所述计算结果，获得所述回旋区深度的变化规律；根据所述变化规律，获取与所述回旋区深度相关的参数，所述参数包括炉腹煤气密度、焦炭密度、风口前焦炭粒度、煤气体积流率、风口总面积、回旋区煤气温度和热风压力；根据所述参数，构建所述回旋区深度的计算模型，所述计算模型为：其中，D_R为回旋区深度，ρ_o为炉腹煤气密度，ρ_s为焦炭密度，D_P为风口前焦炭粒度，V_g为煤气体积流率，S_T为风口总面积，T_r回旋区煤气温度，P_b热风压力。

可选的，所述获取利用欧拉模型得到的回旋区深度的计算结果，包括：根据欧拉模型，构建所述回旋区深度的机理模型，所述机理模型具体为：

其中，k为湍动能，ε为湍动能耗散率，G_k表示由层流速度梯度而产生的湍流动能，G_b为浮力产生的湍流动能，Y_M为在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动，σ_k和σ_ε是k方程和ε方程的湍流Prandtl数，式中C_1ε＝1.44，C_2ε＝1.92，C_3ε＝0.09，C_μ＝0.09，σ_k＝1.0，σ_ε＝1.3，S_k和S_ε为常数；确定所述机理模型的边界条件，所述边界条件包括炉壁的近壁区域使用标准壁面函数、风口处设置速度入口边界、模型上部出口处设定压力出口条件、模型对称的两侧面使用周期循环边界和死料柱表面使用壁面条件；根据所述机理模型和所述边界条件，获得回旋区深度的计算结果。

可选的，根据所述参数，构建所述回旋区深度的计算模型，包括：获取回旋区的受力情况；获得所述参数；根据所述受力情况和所述参数，计算所述回旋区的穿透系数，所述穿透系数为根据所述穿透系数，拟合得到所述回旋区深度的计算模型。

可选的，所述回旋区煤气温度为一固定值。

可选的，所述炉腹煤气密度为煤气中各组分的分子量所占的百分比。

第二方面，本发明实施例提供了一种高炉风口回旋区深度计算系统，包括：第一获取模块，用于获取利用欧拉模型得到的回旋区深度的计算结果；获得模块，用于根据所述计算结果，获得所述回旋区深度的变化规律；第二获取模块，用于根据所述变化规律，获取与所述回旋区深度相关的参数，所述参数包括炉腹煤气密度、焦炭密度、风口前焦炭粒度、煤气体积流率、风口总面积、回旋区煤气温度和热风压力；构建模块，用于根据所述参数，构建所述回旋区深度的计算模型，所述计算模型为：其中，式(1)中，D_R为回旋区深度，单位为m，ρ_o为炉腹煤气密度，单位为kg/m³，ρ_s为焦炭密度，单位为kg/m³，D_P为风口前焦炭粒度，单位为m，V_g为煤气体积流率，单位为m³/s，S_T为风口总面积，单位为m²，T_r回旋区煤气温度，单位为℃，P_b热风压力，单位为MPa。

可选的，所述第一获取模块包括：构建单元，用于根据欧拉模型，构建所述回旋区深度的机理模型，所述机理模型具体为：

其中，k为湍动能，ε为湍动能耗散率，G_k表示由层流速度梯度而产生的湍流动能，G_b为浮力产生的湍流动能，Y_M为在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动，σ_k和σ_ε是k方程和ε方程的湍流Prandtl数，式中C_1ε＝1.44，C_2ε＝1.92，C_3ε＝0.09，C_μ＝0.09，σ_k＝1.0，σ_ε＝1.3，S_k和S_ε为常数；确定单元，用于确定所述机理模型的边界条件，所述边界条件包括炉壁的近壁区域使用标准壁面函数、风口处设置速度入口边界、模型上部出口处设定压力出口条件、模型对称的两侧面使用周期循环边界和死料柱表面使用壁面条件；第一处理单元，用于根据所述机理模型和所述边界条件，得出回旋区深度的计算结果。

可选的，所述构建模块包括：第一获取单元，用于获取回旋区的受力情况；获得单元，用于获得所述参数；第二处理单元，用于根据所述受力情况和所述参数，计算所述回旋区的穿透系数，所述穿透系数为第三处理单元，用于根据所述穿透系数，拟合得到所述回旋区深度的计算模型。

可选的，所述回旋区煤气温度为一固定值。

可选的，所述炉腹煤气密度为煤气中各组分的分子量所占的百分比。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、本申请实施例提供的方法，利用欧拉模型得到的回旋结果获得所述回旋区深度的变化规律，并根据所述变化规律，获取与所述回旋区深度相关的参数，再根据所述参数，构建所述回旋区深度的计算模型，从而计算出回旋区深度，利用较少的参数可以计算得到回旋区深度，解决了现有的利用欧拉模型计算方法的实现复杂和效率低的问题，大大简化了回旋区深度计算的复杂性，并减少了计算时间，提高了计算效率。

2、本申请实施例提供的系统，构建模块可利用第二获取模块根据变化规律获取的参数，构建所述回旋区深度的计算模型，从而计算出回旋区深度，利用较少的参数可以计算得到回旋区深度，解决了现有的利用欧拉模型计算方法的实现复杂和效率低的问题，大大简化了回旋区深度计算的复杂性，并减少了计算时间，提高了计算效率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中深度计算方法的流程图；

图2为本发明实施例中深度计算系统的逻辑结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种高炉风口回旋区深度的计算方法及系统，解决了现有技术中高炉风口回旋区深度计算方法的实现复杂、效率低的技术问题。降低了回旋区深度计算的复杂性、并提高了回旋区深度计算的效率。

本申请实施例中的技术方案，总体思路如下：

一种高炉风口回旋区深度计算方法，包括：获取利用欧拉模型得到的回旋区深度的计算结果；根据所述计算结果，获得所述回旋区深度的变化规律；根据所述变化规律，获取与所述回旋区深度相关的参数，所述参数包括炉腹煤气密度、焦炭密度、风口前焦炭粒度、煤气体积流率、风口总面积、回旋区煤气温度和热风压力；根据所述参数，构建所述回旋区深度的计算模型，所述计算模型为：其中，D_R为回旋区深度，ρ_o为炉腹煤气密度，ρ_s为焦炭密度，D_P为风口前焦炭粒度，V_g为煤气体积流率，S_T为风口总面积，T_r回旋区煤气温度，P_b热风压力。

上述方法通过利用欧拉模型得到的回旋区深度的计算结果找出所述回旋区深度的变化规律，并根据该变化规律，获取与所述回旋区深度相关的参数，并以上述参数构建回旋区深度的计算模型，从而计算出回旋区深度，利用较少的参数可以计算得到回旋区深度，解决了现有的利用欧拉模型计算方法的实现复杂和效率低的问题，大大简化了回旋区深度计算的复杂性，并减少了计算时间，提高了计算效率。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，本领域普通技术人员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。

实施例一

本实施例提供一种高炉风口回旋区深度计算方法，请参考图1，所述方法包括：

步骤S101，获取利用欧拉模型得到的回旋区深度的计算结果；

步骤S102，根据所述计算结果，获得所述回旋区深度的变化规律；

步骤S103，根据所述变化规律，获取与所述回旋区深度相关的参数，所述参数包括炉腹煤气密度、焦炭密度、风口前焦炭粒度、煤气体积流率、风口总面积、回旋区煤气温度和热风压力；

步骤S104，根据所述参数，构建所述回旋区深度的计算模型，所述计算模型为：其中，D_R为回旋区深度，ρ_o为炉腹煤气密度，ρ_s为焦炭密度，D_P为风口前焦炭粒度，V_g为煤气体积流率，S_T为风口总面积，T_r回旋区煤气温度，P_b热风压力。

下面，结合图1对本申请提供的回旋区深度计算方法进行详细介绍：

首先，执行步骤S101，获取利用欧拉模型得到的回旋区深度的计算结果。

在本申请实施例中，欧拉模型是Fluent中最复杂的多相流模型，它建立了一套包含有n个的动量方程和连续方程来求解每一相，可以利用欧拉模型来求解回旋区深度，具体地，可以通过构建欧拉模型，然后通过计算机计算，然而利用欧拉模型来计算回旋区深度的方法中，由于该模型中包含了大量的参数和方程，求解相当复杂，一般求解过程需要20多个小时或者更长，因此计算效率很低，不能适用于实际生产中，因此，本申请基于此，在欧拉模型求解的基础上，进行一进步优化。

再下来，执行步骤S102，根据所述计算结果，获得所述回旋区深度的变化规律。

在具体实施过程中，可以在计算机中根据得出的计算结果，人工分析上述计算结果，并可以利用相关软件进行分析，例如MATLAB，从而获得回旋区深度的变化规律。

接下来，执行步骤S103，根据所述变化规律，获取与所述回旋区深度相关的参数，所述参数包括炉腹煤气密度、焦炭密度、风口前焦炭粒度、煤气体积流率、风口总面积、回旋区煤气温度和热风压力。

在具体实施过程中，根据回旋区深度的变化规律，找出与回旋区深度相关的主要参数。

最后，执行步骤S104，根据所述参数，构建所述回旋区深度的计算模型，所述计算模型为：其中，D_R为回旋区深度，ρ_o为炉腹煤气密度，ρ_s为焦炭密度，D_P为风口前焦炭粒度，V_g为煤气体积流率，S_T为风口总面积，T_r回旋区煤气温度，P_b热风压力。

在具体实施过程中，可以利用MATLAB在计算机中进行拟合，从而确定各项系数。并将得出的计算模型的结果与理论值进行比较，得出风口回旋区形貌。

从上述技术方案中，可以看出本实施例中提供的方法通过利用欧拉模型得到的回旋区深度的计算结果找出所述回旋区深度的变化规律，并根据该变化规律，获取与所述回旋区深度相关的参数，并以上述参数构建回旋区深度的计算模型，从而计算出回旋区深度，利用较少的参数可以计算得到回旋区深度，解决了现有的利用欧拉模型计算方法的实现复杂和效率低的问题，大大简化了回旋区深度计算的复杂性，并减少了计算时间，提高了计算效率。

可选的，所述获取利用欧拉模型得到的回旋区深度的计算结果，包括：

根据欧拉模型，构建所述回旋区深度的机理模型，所述机理模型具体为：

其中，k为湍动能，ε为湍动能耗散率，G_k表示由层流速度梯度而产生的湍流动能，G_b为浮力产生的湍流动能，Y_M为在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动，σ_k和σ_ε是k方程和ε方程的湍流Prandtl数，式中C_1ε＝1.44，C_2ε＝1.92，C_3ε＝0.09，C_μ＝0.09，σ_k＝1.0，σ_ε＝1.3，S_k和S_ε为常数，用户可以根据实际情况设置；

确定所述机理模型的边界条件，所述边界条件包括炉壁的近壁区域使用标准壁面函数、风口处设置速度入口边界、模型上部出口处设定压力出口条件、模型对称的两侧面使用周期循环边界和死料柱表面使用壁面条件；

根据所述机理模型和所述边界条件，获得回旋区深度的计算结果。

具体来说，假设风口回旋区内的流动是不存在燃烧的等温流过程。所以计算过程中只有连续方程和动量守恒方程而不再考虑能量守恒方程。

质量守恒方程方程形式为：

气相：

固相：

该方程是质量守恒的一般式，它适用于可压缩和不可压缩流体。其中，ρ是密度，t是时间，υ是速度矢量，Sm是加入到连续相的质量。也可以是其他自定义的源项。动量守恒其本质是牛顿第二定律。该定律可以表述为：微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。按照这一定律，可以得出在惯性坐标系中的动量守恒方程。

气相：

固相：

式中p是流体微元体上的压力(静压)，g代表作用在微元体上的重力体积力。并由此得到标准k-ε湍流模型，需要说明的是，最简单完整的湍流模型具有两个基本方程，有两个变量(速度和长度尺度)需要求解。标准k-ε模型是基于湍流动能和扩散率，k方程为精确方程，ε方程式通过经验公式推导而来的。在求解上述标准k-ε模型时，把气相与颗粒相都看成共同存在于计算域内的拟均相连续介质，各相使用体积分数区分。每一相的质量和动量守恒方程在欧拉框架下求解。空间离散格式使用一阶迎风格式，离散方程组使用压力速度耦合的SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)方法求解,湍流流动使用k-ε双方程模型计算。

可选的，根据所述参数，构建所述回旋区深度的计算模型，包括：

获取回旋区的受力情况；

获得所述参数；

根据所述受力情况和所述参数，计算所述回旋区的穿透系数，所述穿透系数为

根据所述穿透系数，拟合得到所述回旋区深度的计算模型。

具体来说，假设回旋区边界上一点只受到热风冲力和焦炭对热风气流的阻力，对其受力进行分析，并以理论燃烧温度代替送风温度、回旋区边界前焦炭粒径作为有效直径，回旋区受力情况主要包括热风穿透力、焦炭重力和回旋区壁(即死料柱焦炭层)的反力，然后根据该受力情况和前述获得的相关参数，计算所述回旋区的穿透系数最后，通过拟合确定系数，得到最终的回旋区深度的计算模型。

关于计算模型中的相关参数，所述炉腹煤气密度为煤气中各组分的分子量所占的百分比，所述回旋区煤气温度为一固定值。ρ_s为焦炭密度，为一常数；V_g为煤气体积流率，根据高炉热风量得到，随送风制度变化可以做相应的调整；S_T为风口总面积，根据送风制度而确定；将各参数带入计算模型中计算可以得到风口回旋区深度，

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了实施例一中方法对应的系统，见实施例二。

实施例二

本实施例提供了一种高炉风口回旋区深度计算系统，请参考图2，所述系统包括：

第一获取模块201，用于获取利用欧拉模型得到的回旋区深度的计算结果；

获得模块202，用于根据所述计算结果，获得所述回旋区深度的变化规律；

第二获取模块203，用于根据所述变化规律，获取与所述回旋区深度相关的参数，所述参数包括炉腹煤气密度、焦炭密度、风口前焦炭粒度、煤气体积流率、风口总面积、回旋区煤气温度和热风压力；

构建模块204，用于根据所述参数，构建所述回旋区深度的计算模型，所述计算模型为：

其中，式(1)中，D_R为回旋区深度，单位为m，ρ_o为炉腹煤气密度，单位为kg/m³，ρ_s为焦炭密度，单位为kg/m³，D_P为风口前焦炭粒度，单位为m，V_g为煤气体积流率，单位为m³/s，S_T为风口总面积，单位为m²，T_r回旋区煤气温度，单位为℃，P_b热风压力，单位为MPa。

本实施例提供的一种高炉风口回旋区深度计算系统中，所述第一获取模块包括：

构建单元，用于根据欧拉模型，构建所述回旋区深度的机理模型，所述机理模型具体为：

其中，k为湍动能，ε为湍动能耗散率，G_k表示由层流速度梯度而产生的湍流动能，G_b为浮力产生的湍流动能，Y_M为在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动，σ_k和σ_ε是k方程和ε方程的湍流Prandtl数，式中C_1ε＝1.44，C_2ε＝1.92，C_3ε＝0.09，C_μ＝0.09，σ_k＝1.0，σ_ε＝1.3，S_k和S_ε为常数；

确定单元，用于确定所述机理模型的边界条件，所述边界条件包括炉壁的近壁区域使用标准壁面函数、风口处设置速度入口边界、模型上部出口处设定压力出口条件、模型对称的两侧面使用周期循环边界和死料柱表面使用壁面条件；

第一处理单元，用于根据所述机理模型和所述边界条件，得出回旋区深度的计算结果。

本实施例提供的一种高炉风口回旋区深度计算系统中，所述构建模块包括：

第一获取单元，用于获取回旋区的受力情况；

获得单元，用于获得所述参数；

第二处理单元，用于根据所述受力情况和所述参数，计算所述回旋区的穿透系数，所述穿透系数为

第三处理单元，用于根据所述穿透系数，拟合得到所述回旋区深度的计算模型。

本实施例提供的一种高炉风口回旋区深度计算系统中，所述回旋区煤气温度为一固定值。

本实施例提供的一种高炉风口回旋区深度计算系统中，所述炉腹煤气密度为煤气中各组分的分子量所占的百分比。

由于本发明实施例二所介绍的系统，为实施本发明实施例一的高炉风口回旋区深度计算方法所采用的系统，故而基于本发明实施例一所介绍的方法，本领域所属人员能够了解该系统的具体结构及变形，故而在此不再赘述。凡是本发明实施例一的方法所采用的系统都属于本发明所欲保护的范围。

本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、本申请实施例提供的方法，利用欧拉模型得到的回旋结果获得所述回旋区深度的变化规律，并根据所述变化规律，获取与所述回旋区深度相关的参数，再根据所述参数，构建所述回旋区深度的计算模型，从而计算出回旋区深度，利用较少的参数可以计算得到回旋区深度，解决了现有的利用欧拉模型计算方法的实现复杂和效率低的问题，大大简化了回旋区深度计算的复杂性，并减少了计算时间，提高了计算效率。

2、本申请实施例提供的系统，构建模块可利用第二获取模块根据变化规律获取的参数，构建所述回旋区深度的计算模型，从而计算出回旋区深度，利用较少的参数可以计算得到回旋区深度，解决了现有的利用欧拉模型计算方法的实现复杂和效率低的问题，大大简化了回旋区深度计算的复杂性，并减少了计算时间，提高了计算效率。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。