Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Диссертационная работа:

Маркова Алла Валентиновна. Разработка математической модели и программных средств для расчета и оптимизации режимов плавления шихты в руднотермической печи : Дис. ... канд. техн. наук : 05.13.18 : СПб., 2005 167 c. РГБ ОД, 61:05-5/2318

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ 12

Глава 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПЛАВЛЕНИЯ

ШИХТЫ В РУДНОТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧИ 33

  1. Физическая модель процесса плавления как модель теплопереноса, осложненного фазовыми переходами на подвижной межфазной границе 33

  2. Математические модели нестационарного и стационарного режимов процесса плавления 41

  3. Кристаллизация расплава как сопутствующий плавлению процесс. Приближенный анализ механизма явления 52

Глава 3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА ДЛЯ
РАСЧЕТА И ИССЛЕДОВАНИЯ СТАЦИОНАРНОГО
РЕЖИМА ПЛАВЛЕНИЯ ШИХТЫ .Г. 7..V-WTn. 57

3.1. Алгоритм численного решения задачи Стефана,
ориентированной на описание стационарного режима
процесса плавления шихты в руднотермической печи 57

  1. Проблемно-ориентированная программа «Furnace» 63

  2. Исследование механизма плавления шихты в условиях частичной кристаллизации расплава методом вычислительного эксперимента 72

Глава 4. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА ДЛЯ РАСЧЕТА И ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОГО

РЕЖИМА ПЛАВЛЕНИЯ ШИХТЫ 89

4.1. Алгоритм расчета нестационарного режима процесса

плавления шихты в руднотермической печи 89

4.2. Программное средство «Furnace-N», ориентированное на
описание и исследование нестационарного режима
плавления 95

4.3. Исследование механизма процесса плавления шихты в
условиях полной кристаллизации расплава методом
вычислительного эксперимента 104

ВЫВОДЫ 122

Условные обозначения 124

ЛИТЕРАТУРА 126

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Программное средство «Furnace» и примеры расчета

стационарного режима плавления шихты в

руднотермической печи 135

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Проверка адекватности математической модели

процесса плавления реальному объекту 148

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Программное средство «Fumace-N» и примеры

расчета циклического режима плавления шихты в

руднотермической печи 151

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Сведения о практическом использовании

результатов диссертации 167

ПОСВЯЩАЕТСЯ ПАМЯТИ ГЕОРГИЯ МАКСИМОВИЧА ОСТРОВСКОГО

Введение к работе:

Развитие технического прогресса в условиях рыночных отношений в экономике диктует концепцию существенного повышения эффективности производства и улучшения качества выпускаемой продукции на основе внедрения передовых достижений науки и техники, а также путем широкого использования информационных технологий, средств и методов вычислительной техники.

Процессы плавления, реализуемые в руднотермических печах - агрегатах повышенной потенциальной опасности, характеризуются высокими температурами взаимодействующих фаз, что практически исключает возможность экспериментального исследования протекающих физических явлений. О рабочих параметрах печи судят лишь косвенно - в основном, по электрическим показателям. Между тем, механизм плавления нельзя назвать достаточно изученным, так как стабильная работа печей часто нарушается (поступление шихты в зону плавления вдруг приобретает импульсный характер, вплоть до резкого ее обрушения в расплав). Для восстановления устойчивого (так называемого, стационарного) режима плавления техническому персоналу приходится принимать решения по изменению влияющих на процесс факторов (внеплановый слив расплава, повышение напряжения печного трансформатора, изменение положения электрода), руководствуясь при этом в большей степени практическими навыками и интуицией.

Следует заметить, что подобные даже предпринятые оперативно действия не всегда способны в принципе принести положительный результат -вследствие образования настыля большой протяженности зона плавления печи может оказаться переполненной, а сход шихты - полностью прекратиться.

Физические процессы, обусловливающие нарушение условий устойчивого плавления, протекают в зоне плавления - зоне перехода твердофазной шихты в жидкое состояние (расплав). Изучение этих процессов (наряду с созданием методологической базы для его проведения) является актуальной научно-технической задачей и составляет предмет настоящего исследования.

Исследование проводится методами физического и математического моделирования и вычислительного эксперимента. Особое внимание уделено строгости подхода к моделированию, отражающему распределенный характер тепловых процессов, протекающих в двухфазной системе шихта - расплав при наличии фазовых переходов на подвижной межфазной границе. В такой постановке (сопряженная задача теплообмена с подвижной границей) математическое описание процесса плавления шихты в руднотермической печи представляется впервые. Сложность избранного подхода к моделированию обозначила, в свою очередь, и самостоятельную значимость применяемого для организации вычислений численного метода. Хотя при решении уравнений математических моделей объекта (дифференциальных уравнений в частных производных) использовался известный метод конечных разностей, расчет ряда параметров (положение межфазной границы, скорость схода шихты, высота настыля и время его образования) потребовал разработки нетривиальных логических и вычислительных процедур, отраженных в блок-схемах расчетных алгоритмов. В целом диссертационная работа представлена как комплексное исследование, включающее разработку и тестирование численных методов решения уравнений предложенных математических моделей и их реализацию в виде программ для ЭВМ, ориентированных на изучение механизма, расчет и оптимизацию режимов плавления шихты в руднотермической печи.

Цель работы. Разработка программных средств для теоретического анализа и расчета режимов плавления шихты в руднотермической печи.

В первой главе критически проанализировано состояние вопроса в области существующих концепций о механизме плавления шихты, методах экспериментального и теоретического исследования процесса, вычислительных методиках, используемых при проектировании и в расчетах. Показано, в частности, что механизм плавления шихты в руднотермических печах изучен неудовлетворительно. Известные из литературы представления о процессе (нагрев шихты отходящими газами, передача тепла частицами путем теплопроводности от нижележащих зон, дополнительный нагрев шихты за счет выбросов расплава при обрушении слоя), даже взятые в совокупности, не в состоянии объяснить его механизм, так как перечисленные источники тепла не являются достаточными для осуществлении плавления. Неудивительно в этой связи, что в литературе отсутствуют и какие-либо сведения о причинах, вызывающих нарушение стабильного (стационарного) режима плавления. Соответственно даже наиболее строгие из известных математических моделей не позволяют объяснить эффект внезапного срыва стационарного течения процесса.

Простой балансовый расчет, подчеркивается в главе, показывает, что основным источником энергии, способным обеспечить необходимое для нагревания шихты количества тепла, является горячий электропроводящий расплав, в котором выделяется джоулево тепло. Сформулированы (пока только в виде рабочей гипотезы) модельные представления, лежащие в основе нарушения стационарного режима плавления. Указывается, в частности, что вследствие не-догрева поступающей в зону шихты может протекать не ее плавление, а кристаллизация расплава, что предопределяет в дальнейшем коркообразование и как результат - срыв условий стационарного плавления вследствие обрушения шихты в расплав.

Наиболее строгим подходом к описанию процессов и явлений, сопровождающих плавление шихты, является математическое моделирование теплообмена с учетом изменения агрегатного состояния вещества (разновидность зада-

чи Стефана — задача с подвижными границами при наличии фазовых переходов). Из численных методов, применяемых для решения подобных задач, выбран как наиболее универсальный разностный метод. На основании проведенного анализа состояния вопроса сформулированы задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена разработке математической модели процесса плавления шихты в руднотермической печи. При физической постановке проблемы двухфазная система расплав - твердая шихта представлена в виде чередующихся слоев жидкой и твердой фаз (модель «сэндвича»). Построенная нестационарная математическая модель включает уравнения, описывающие во времени поля температур в твердой шихте и в расплаве и уравнение продвижения фронта фазового превращения. Из общей (нестационарной) математической модели как частные случаи получены математические модели, описывающие процесс плавления в различных режимах работы печи - стационарном непрерывном, периодическом, при непрерывном и периодическом сливе расплава. Показана отрицательная роль кристаллизации расплава как сопутствующего плавлению процесса. На основании качественного исследования математической модели стационарного режима определено условие полной кристаллизации расплава, заключенного между зернами шихты, а также протяженность области кристаллизации.

Третья глава посвящена разработке и тестированию программного средства для расчета и исследования стационарного режима плавления шихты. Предложенный алгоритм и проблемно-ориентированная программа «Furnace» позволяют рассчитывать распределение температур в шихте и в расплаве, положение межфазной границы, а также скорость схода шихты. Методом вычислительного эксперимента проведено исследование процесса плавления в условиях частичной кристаллизации расплава для различных вариантов работы руднотермической печи (при периодическом и непрерывном сливе расплава).

Изучены особенности механизма плавления в стационарном режиме, определен диапазон существования стационарного режима (зоны устойчивого плавления) в зависимости от влияющих факторов — температуры шихты, поступающей в зону плавления, и ее пористости, а также мощности тепловыделения в расплаве. В заключение главы предложены практические рекомендации по способам поддержания стационарного режима плавления.

В четвертой главе рассматриваются вопросы разработки и тестирования программного средства для расчета и исследования нестационарного (циклического) режима плавления, характерного, как установлено, для работы рудно-термических печей при условии полной кристаллизации расплава. Предложенное программное средство «Furnace-N» ориентировано на исследование нестационарного режима плавления шихты и позволяет рассчитывать общую продолжительность циклического режима, продолжительность каждого периода, среднюю скорость схода шихты, высоту настыля, температуру расплава реакционной зоны, поля температур в шихте, в расплаве зоны плавления и в настыле.

Методом вычислительного эксперимента изучен механизм циклического режима плавления. Показано, что каждый цикл данного режима работы печи характеризуется периодами зарождения настыля, завершения формирования настыля, плавления настыля. Для интервала изменения входных параметров определены характеристики плавления в циклическом режиме. Обоснован выбор оптимальной высоты зоны плавления (наиболее критичного параметра циклического режима); сформулированы практические рекомендации по способам плавления шихты в циклическом режиме. Защищаемые положения:

математические модели стационарного и нестационарного режимов плавления шихты в руднотермической печи, отражающие распределённый ха-

рактер тепловых процессов в двухфазной системе шихта-расплав и учитывающее фазовые переходы на подвижной межфазной границе;

алгоритмы и программные средства «Furnace» и «Fumace-N» для расчёта и исследования режимов плавления шихты в РТП;

механизм нестационарного (циклического) режима плавления шихты в РТП;

методики расчёта стационарного и нестационарного (циклического) режимов плавления шихты в РТП.

Научная новизна. Предложена и теоретически обоснована физическая модель процесса плавления шихты в руднотермической печи, рассматривающая расплав с распределенной в ней твердой шихтой в виде чередующихся слоев твердой и жидкой фаз. Разработаны физическая и математическая модели процесса плавления шихты, описывающие нестационарный процесс распространения тепла в двухфазной системе шихта — расплав при наличии фазовых переходов на подвижной межфазной границе (сопряженная задача теплообмена с подвижной границей). Как частные случаи предложены математические модели, описывающие зону плавления руднотермической печи в различных режимах ее работы - стационарном непрерывном, периодическом, при непрерывном и периодическом сливе расплава.

Разработаны алгоритмы расчета стационарного и нестационарного режимов плавления шихты, а также проблемно-ориентированные программные средства «Furnace» и «Furnace-N». Программное средство «Furnace» позволяет рассчитывать поля температур в шихте и в расплаве, положение межфазной границы, скорость схода шихты, высоту настыля. С помощью программного средства «Furnace-N» рассчитываются предельно - допустимая высота зоны плавления, допустимая мощность тепловыделения, температура расплава, высота настыля и время его формирования, длительность расплавления настыля.

Методом вычислительного эксперимента исследован механизм процесса плавления шихты в стационарном режиме. Показано, что основной причиной нарушения стационарного режима плавления является кристаллизация расплава между зернами шихты, сопровождающаяся коркообразованием (формированием настыля). Определен допустимый диапазон изменения входных параметров - высоты зоны плавления, температуры поступающей шихты, температуры расплава, при котором обеспечивается плавление в стационарном режиме. Впервые описан механизм нестационарного (циклического) режима плавления шихты, характеризующегося стадиями зарождения настыля, формирования настыля и его плавления.

Практическая ценность. Разработаны методики расчета стационарного и нестационарного (циклического) режимов плавления шихты в руднотермиче-ской печи.

Методика расчета стационарного режима предусматривает определение скорости схода шихты; в случае образования настыля рассчитывается его допустимая высота и пороговое значение мощности тепловыделения в зоне расплава. При периодическом сливе прогнозируется скорость накопления расплава и рекомендуется временной интервал между сливами.

Методика расчета циклического режима плавления включает в себя определение средней за цикл скорости плавления, а также мощности тепловыделения в зоне расплава, обеспечивающей оптимальные условия ведения процесса (длительность цикла, высота зоны плавления). В случае периодического слива расплава рассчитывается максимально допустимый временной интервал между сливами.

Реализация результатов. Методика расчета процесса плавления, реализованная в виде программы для ЭВМ «Furnace» (Свид. об официальной регистрации программы для ЭВМ №2004611406 (07.06.2004) // Офиц. бюл. федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.- М.

2004. - № 3(48) . - С. 137), рекомендована ОАО «Институт Гипроникель» к использованию в РТМ в части комплексных мероприятий по модернизации и реконструкции руднотермических установок цветной металлургии.

Апробация работы. Отдельные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на XVII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Кострома, Костромской гос. технол. ин-т, 2004) и на научно-технической конференции «Электротер-мия-2004» (Санкт-Петербург, СПб-государственный технологический институт, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре научные работы.

Подобные работы
Горбатюк Наталья Владимировна
Разработка моделей и инструментальных средств когнитивных агентов "совместной деятельности"
Полевой Дмитрий Валерьевич
Разработка моделей, методов и средств обработки табличных документов в информационных системах
Крошилин Сергей Викторович
Разработка моделей и программных средств для анализа и прогноза развития рынка предприятия на основании маркетинговых исследований
Беднаржевский Вячеслав Станиславович
Разработка математических моделей и программных средств для проектирования энергетических котлоагрегатов
Кудрявцев Александр Андреевич
Модели и вычислительные средства поддержки решений при разработке стратегии развития и реконструкции систем транспорта газа
Морозов Андрей Владимирович
Разработка фреймово-продукционной модели синтеза цифровых автоматов на основе метода спецификации состояний и ее программная реализация средствами реляционной СУБД
Ефремов Дмитрий Николаевич
Исследование и разработка моделей, алгоритмов и компьютерной системы мониторинга и управления биологической безопасностью производства молочных продуктов
Финаева Елена Валерьевна
Разработка моделей и методов исследования сложных неравновесных систем с применением нечетких оценок
Маслобоев Андрей Владимирович
Разработка моделей и программного обеспечения информационной поддержки региональных открытых децентрализованных инновационных структур
Петров Олег Николаевич
Разработка моделей формализации динамической базы знаний на основе принципа адаптивного резонанса

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net