冶金过程数值模拟.ppt

*,上海大学,冶金工程,专业本科生课程,吴永全,2025/10/26 周日 16:26,冶金过程数值模拟,Numerical Modelling of Metallurgical Processing,主讲：吴永全,上海大学，材料科学与工程学院，材料工程系，冶金工程教研室,本科生课程,冶金过程数值模拟,2025/10/26 周日 16:26,本科生课程,冶金过程数值模拟,2025/10/26 周日 16:26,本科生课程,冶金过程数值模拟,202.121.199.249/staff/Wu_YongQuan/,2025/10/26 周日 16:26,本科生课程,冶金过程数值模拟,18602106356,2025/10/26 周日 16:26,1.,理解,第一位,概念的理解是学习过程的关键之关键，能够达到举一反三的理解才算真正到位；,2.,应用,既是过程也是目的,知识的应用是巩固学成的过程，也是最终学成的目的；,3.,自学,是大学学习的本质特征,训练和强化自学能力是大学生涯最根本的任务，但事实是大部分学生到研究生阶段仍然没有好的自学能力和自学习惯，请记住：,从现在开始系统培养自己的自学能力还为时未晚,；,本科生课程,冶金过程数值模拟,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,参考书目,陈建斌编著，,冶金过程数值模拟基础,，冶金工业出版社，,2008,舍克里等著、蔡开科译,，,金属初级加工过程的数学和物理模型,，,冶金工业出版社，,1992,萧泽强，朱苗勇著，,冶金过程数值模拟分析技术的应用,，冶金工业出版社，,2006,张玉柱、艾立群,编,著,，,钢铁冶金过程的数学解析与模拟,，,冶金工业出版社，,1997,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,先选课程,冶金物理化学,钢铁冶金原理,流体力学,数值分析,计算机编程,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,授课内容,授课内容,绪论,数值求解方法,冶金过程数值模拟,数学描述,3,学时,6,学时,15,学时,6,学时,另外加上,6,学时,的课外计算机实验学时。,导热问题数值模拟,对流与扩散数值模拟,流场计算简介,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,授课内容,授课内容,绪论,数值求解方法,冶金过程数值模拟,高炉炼铁过程数值模拟,转炉炼钢过程数值模拟,炉外钢包数值模拟,连铸过程数值模拟,计算流体力学,其它兴趣,数学描述,绪论,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,目录,基本概念,1,数学模型的分类,2,数学模型建立方法和步骤,3,数学模型的作用与意义,4,基本概念,1,举例说明,5,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,基本概念,冶金,冶炼金属,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,基本概念,钢铁冶金流程简介,原材料处理,高炉炼铁,转炉或电炉炼钢,连铸,连轧,,/,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,基本概念,钢铁冶金流程简介,原材料处理,高炉炼铁,转炉或电炉炼钢,连铸,连轧,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,基本概念,钢铁冶金流程简介,原材料处理,高炉炼铁,转炉或电炉炼钢,连铸,连轧,高炉炼铁,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,基本概念,钢铁冶金流程简介,原材料处理,高炉炼铁,转炉或电炉炼钢,连铸,连轧,高炉炼铁,转炉或电炉炼钢,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,基本概念,钢铁冶金流程简介,原材料处理,高炉炼铁,转炉或电炉炼钢,连铸,连轧,高炉炼铁,转炉或电炉炼钢,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,基本概念,钢铁冶金流程简介,原材料处理,高炉炼铁,转炉或电炉炼钢,连铸,连轧,高炉炼铁,转炉或电炉炼钢,连铸,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,基本概念,钢铁冶金流程简介,原材料处理,高炉炼铁,转炉或电炉炼钢,连铸,连轧,高炉炼铁,转炉或电炉炼钢,连铸,连轧,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,基本概念,冶金,过程,数值模拟,冶炼金属,实际生产过程中的一个相对独立的物质处理单元。,数学模型,Mathematical model,数学模拟,Mathematical,modelling,数值模拟,Numerical,modelling,用数学语言描述实际现象,通过数学模型对实际现象的描述和求解，实现对实际过程的数学再现,需要计算机进行数值求解的数学模拟,物理模拟,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,目录,基本概念,1,数学模型的分类,2,数学模型建立方法和步骤,3,数学模型的作用与意义,4,基本概念,1,数学模型的分类,2,举例说明,5,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,数学模型的分类,数学模型,研究对象的,认识程度,白箱模型,黑箱模型,灰箱模型,又称,机理模型,，根据物理或化学的基本原理建立的模型。依据冶金热力学、动力学、三传、应变等，建立常微分或偏微分方程（组），相应初始条件和边界条件，进行数值求解。,对内部性质和过程完全无知，只能对输入和输出的对应关系进行统计回归，是,经验模型,，主要有人工神经网络、专家系统、遗传算法、模糊控制等，主要用于过程调节和控制。,以物理和化学定律为基础，同时包含一定的经验假定或参数的模型，又称,半经验模型,，冶金过程复杂，因素多，且形状复杂多变，因此实际冶金过程大多属于这种模型。,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,数学模型的分类,数学模型,按过程状,态区分,静态模型,Static model,动态模型,Dynamic model,模型参数在过程中是否变化。,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,数学模型的分类,数学模型,按空间变量,与时间关系,稳态模型,Steady model,非稳态模型,Unsteady model,分布空间各点的过程参数随不随时间变化。,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,数学模型的分类,数学模型,按变量的确,定性与否,确定性模型,Deterministic model,非确定性模型,Nondeterministic model,根据变量是确定性或随机性的而定。,统计模型,Statistic,随机模型,Stochastic,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,目录,基本概念,1,数学模型的分类,2,数学模型建立方法和步骤,3,数学模型的作用与意义,4,基本概念,1,数学模型的分类,2,举例说明,5,数学模型建立方法和步骤,3,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,数学模型建立方法和步骤,初步研究,数学模型,程序实现,验证？,应用,Yes,No,Analysis,Formulation,Solution,Interpretation,Verification,Application,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,数学模型建立方法和步骤,初步研究,数学模型,程序实现,验证？,应用,Yes,No,摸排阶段,。根据实际生产提出的问题，了解问题背景、主次、本质、目标、建模方法；,梳理阶段,。确定目标，限定过程现象，据此进行参量分析、确定问题的参数、搜集各种必要信息，明确已知量、未知量、自变量、因变量、主要量、次要量，以及这些量之间的关系和所属的基础理论范畴，同时做出误差允许范围内的简化处理，舍弃一些次要量，便于求解；,建模阶段,。通过基本过程描述，进行理论依据的选取，根据文献收集，进行合适的数学模型的比较分析和选取，如果没有合适模型，需要自定义模型。,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,数学模型建立方法和步骤,数学模型,初步研究,程序实现,验证？,应用,Yes,No,关键属性,。数学模型是数值模拟的关键和核心；,三个步骤,。数学模型的建立可以分成三个步骤：,(a).,分解,，将复杂的冶金反应过程分解为流体流动、传热、传质和化学反应等基本单元过程；,(b).,简化,，通过一系列假设对问题进行合理简化，简化原则包括：抓住主要矛盾而不失真实性，满足应用的精度要求，适应当前实验条件，以便进行模型识别和参数估算，适应现有计算机能力；,(c).,推导,，基于上述分解和假设，开始对所有的数学表达进行具体推导，构建模型的核心方程组，可以是线性、非线性，常微分、偏微分，甚至隐函数；,特殊声明,。分解是简化的前提，简化使数学描述成为可能；,参数估算,。两种方法：实际测定,+,实测数据的拟合。,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,数学模型建立方法和步骤,程序实现,初步研究,数学模型,验证？,应用,Yes,No,前提条件,。数学模型、初始条件、边界条件、参数值确定；,数值求解,。工程研究中的大多数计算都是计算机数值求解，根据模型中的方程类型选择不同的数值方法；,程序实现,。三种选择：高级计算机语言，如,Fortran,、,Turbo C,、,C+,、,Basic,等，自行编程实现；利用现成的数值计算软件，如,Mathematica,、,Matlab,等，进行,简单编程实现；采用专业软件进行求解，如流场计算采用,Fluent,、,CFD,等进行计算，有限元分析采用,Ansys,进行计算等；,“计算机实验”,。一旦模型确定且程序实现，这个创建的模型软件就是一个完备的计算机实验，因为其中所有的参数都可以随心所欲地进行调节（比如将研究对象温度从,100K,升高到,2000K,，不必担心对实验员的人身安全和实验资金问题），以考察对结果的影响，加快进度的同时，节约人力物力财力。,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,数学模型建立方法和步骤,验证？,初步研究,数学模型,程序实现,应用,Yes,No,重要意义,。把模型计算结果与实际反应器或模拟实验的实际现象的操作结果数据进行比对，检验模型的合理性和实用性；,操作过程,。如果计算值与实际值之间的偏差在要求的精度范围内，说明计算结果与实际数据吻合，模型可以描述所研究的过程，模型能反映实际过程的规律，检验结果是正确的或基本正确的；,经验总结,。模型计算与实际数据存在一定误差是正常的，但如果存在规律性偏差或较大误差，则必须详细分析原因，可能的原因包括：,程序错误、参数估值不准确、模型本身问题和测试问题，根据具体原因进行相应修改，因此建模过程是一个“理论、实践、再理论、再实践,”的循环过程。,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,数学模型建立方法和步骤,应用,初步研究,数学模型,程序实现,验证？,Yes,No,互益性,。一方面，利用成熟模型充分发挥分析、研究、解决实际问题的能力，另一方面，在实际应用中模型本身也不断得到客观公正的检验，从而得到不断的改进和完善；,实验性,。在模型正确的基础上，可以做进一步的“实验”，改变原料条件、设备参数、工艺参数、操作参数等，进行对比计算，通过比对计算结果实现对所研究的设备或工艺的优化建议、措施和方案；,总结,。并非所有的建模过程都必须严格按照这样的步骤进行，而且每个步骤之间的界限也不是如此明显，但养成一个按部就班的工作习惯，对于做研究而言是比较有益的。,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,目录,基本概念,1,数学模型的分类,2,数学模型建立方法和步骤,3,数学模型的作用与意义,4,基本概念,1,数学模型的分类,2,举例说明,5,数学模型建立方法和步骤,3,数学模型的作用与意义,4,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,数学模型的作用与意义,数学模型,优化,人工智能,过程控制,规划实验室和中试实验,解释实验结果,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,数学模型的作用与意义,现有工艺,：加深多过程的基本现象、反应机理的认识，为改善工艺过程和操作提供依据；探索设备、工艺过程和操作参数的变化对冶金效果的影响和变化规律及它们之间的定量关系，为优化工艺、改进设备、改善操作提供必要的数据和依据；实现对工艺过程的诊断和过程的自动控制；指导中试厂和现场实物实验的设计和规划，以节省开支等。,新工艺,：对新设计工艺的可行性和灵活性做出准确的估计；对规划和设计实验室、中试厂或实物规模的实验提供指导；帮助评估中试厂或实物试验结果和进行比例放大；在一定条件下，可替代中试厂或现场实物进行开发性试验，以节省费用等。,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,数学模型的作用与意义,运用数学的多少是一门科学成熟程度的标志。,马克思,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,目录,基本概念,1,数学模型的分类,2,数学模型建立方法和步骤,3,数学模型的作用与意义,4,基本概念,1,数学模型的分类,2,举例说明,5,数学模型建立方法和步骤,3,数学模型的作用与意义,4,举例说明,5,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,举例说明,宝钢集团不锈钢分公司炼铁分厂石灰套筒窑的温度场、流场模拟,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,举例说明,宝钢集团不锈钢事业部炼铁分厂石灰套筒窑的温度场、流场模拟,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,举例说明,宝钢集团不锈钢事业部炼铁分厂石灰套筒窑的温度场、流场模拟,透视四视图,模型化,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,举例说明,宝钢集团不锈钢事业部炼铁分厂石灰套筒窑的温度场、流场模拟,三维立体四视图,模型化,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,举例说明,宝钢集团不锈钢事业部炼铁分厂石灰套筒窑的温度场、流场模拟,多孔介质模型,网格划分,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,举例说明,宝钢集团不锈钢事业部炼铁分厂石灰套筒窑的温度场、流场模拟,总体气体流场,冷却空气流场,总的气体流场,冷却空气流场,上烧嘴气体流场,下烧嘴气体流场,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,举例说明,宝钢集团不锈钢事业部炼铁分厂石灰套筒窑的温度场、流场模拟,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,举例说明,宝钢集团不锈钢事业部炼铁分厂石灰套筒窑的温度场、流场模拟,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,举例说明,宝钢集团不锈钢事业部炼铁分厂石灰套筒窑的温度场、流场模拟,上燃烧室模拟方案：,CO,2,H,2,O,N,2,成分分布,2025/10/26 周日 16:26,冶金数值,绪论,举例说明,宝钢集团不锈钢事业部炼铁分厂石灰套筒窑的温度场、流场模拟,上燃烧室模拟方案：,2025/10/26 周日 16:26,下次课再见！,See you!,冶金过程数值模拟,