六流連鑄中間包流場的數(shù)值模擬

PAGE2六流連鑄中間包流場的數(shù)值模擬摘要利用現(xiàn)有工具軟件ANSYS來模擬鋼液進入六流中間包的過程，前期通過觀看大量ANSYS教學視頻講解，逐步上手ANSYS軟件，利運用給定模型進行流動模擬得出六流中間包內(nèi)的各個截面的流場，壓力場以及溫度場。由于時間緊迫，對于ANSYS軟件的了解以及使用還只是一知半解，但這對于本人來講是一次奇妙的學習體驗過程，ANSYS還有許多的功能待我們?nèi)W習去利用。在短流程煉鋼里用到的耐火材料容器稱為六流中間包，它承接了從鋼包中流下去的鋼水，再由六流中間包的六個分水口分配到各個六流結晶器里去。中間包的發(fā)明在鋼鐵工業(yè)中有著舉足輕重的地位，所以認識了解它的原理，模型，內(nèi)部數(shù)據(jù)十分有必要。我們通過ANSYS有限元分析軟件模擬得出了六流中間包在鋼水流過的條件下的各截面的溫度場壓力場和流場。關鍵詞：ANSYS；六流中間包；六流溫度場；六流有限元分析；NumericalSimulationofFlowFieldinSix-strandContinuousCastingTundishAbstractTheexistingtoolsoftwareANSYSisusedtosimulatetheprocessofmoltensteelenteringthesix-flowtundish.ThroughwatchingalargenumberofANSYSteachingvideostoexplainintheearlystage,theANSYSsoftwareisgraduallyused,andtheflowfield,pressurefieldandtemperaturefieldofeachsectioninthesix-flowtundishcanbeobtainedbyusingthegivenmodelforflowsimulation.Duetotimeconstraints,theunderstandinganduseofANSYSsoftwareisonlyalittleknowledge,butitisawonderfullearningexperienceprocessforme.ANSYShasmanyfunctionstolearnanduse.Therefractorycontainerusedinshort-flowsteelmakingiscalledasix-flowtundish,whichreceivesthemoltensteelflowingfromtheladleanddistributesittoeachsix-flowcrystallizerthroughthesixwateroutletsofthesix-flowtundish.Theinventionoftundishplaysanimportantroleintheironandsteelindustry,soitisnecessarytoknowitsprinciple,modelandinternaldata.Wehaveobtainedthetemperaturefield,pressurefieldandflowfieldofeachsectionofthesix-flowtundishundertheconditionofsteelflowthroughbyANSYSfiniteelementanalysissoftwaresimulation.Keywords:ANSYS；;Six-streamtundish;Six-flowtemperaturefield;Six-flowfiniteelementanalysis:

目錄TOC\o"1-3"\h\u23137摘要 230473Abstract 316909第一章文獻綜述 6321871.1中間包數(shù)值模擬的研究方法 6136801.2中間包流場的有限元模型 6192731.3數(shù)學模擬方法在中間包研究中的應用 869831.4中間包冶金學概述 9239021.5中間包的作用 93283第二章緒論 12147112.1研究背景 12281432.1.1本研究的目的和意義 1279492.1.2研究內(nèi)容 13263872.1.3中間包冶金技術的發(fā)展 13266392.2ANSYS的運用 15226292.2.1有限元分析基本理論 15292372.2.2ANSYS有限元分析的發(fā)展趨勢 16220752.2.3ANSY的軟件功能 1832761第三章六流方坯中間包流動的數(shù)學模擬 226993.1建立控制方程 22138743.2數(shù)學模擬方案 28300823.3計算區(qū)域的選取 29173173.4網(wǎng)格劃分 29106133.5邊界條件的設定 30271473.6數(shù)學模擬計算 32271783.7模擬的結果對比與討論 3272583.7.1三種速度下速度矢量對比 33178053.7.2三種速度下溫度場對比 34175003.7.3三種速度下壓力場對比 36275603.7.4三種速度下速度場對比 374555第四章結論 4030139參考文獻 411939致謝 43

第一章文獻綜述 1.1中間包數(shù)值模擬的研究方法 冶金過程的數(shù)學建模（數(shù)學建模，數(shù)值模擬）是根據(jù)計算流體力學、計算傳熱、計算燃燒和冶金反應工程的原理，利用數(shù)值方程直接用計算機求解質(zhì)量、動量、能量和非線性連接的保守偏微分方程的方法，通過數(shù)學分析，預測流動、傳熱等過程的細節(jié)，也就是說，它給出了整個流動領域中每個變量的細節(jié)，包括冶煉量的空間和時間分布，因此，冶煉的速率和效果，中間包冶金的特點是多個冶金過程都是在運動中進行的。因此，中間包流場的計算流體力學解是中間包冶金的重要組成部分。利用計算機流體力學的基礎知識，建立了鋼水在中間包中的傳遞數(shù)學模型。對線條模擬的研究始于20世紀80年代初。但最初的研究主要是關于大量的假設帶狀物的研究。根據(jù)該項目，建立了一個二維數(shù)學模型，對包內(nèi)鋼水的流動和傳熱等一些現(xiàn)象進行模擬。中間包是典型的三維冶金反應器，采用二維數(shù)學模型，難免會出現(xiàn)一些不足之處。這導致了后來的三維數(shù)學模型的發(fā)展。主要開發(fā)的流體力學軟件包有ANSYS、FLUENT、STAR-CD、CFX、PHOENICS等。1.2中間包流場的有限元模型 圖1.1六流中間包俯視圖圖1.2六流中間包主視圖圖1.3六流中間包軸測圖上面三圖為六流中間包內(nèi)部流動模型通過六流中間包模型進行內(nèi)部空間選取得出的流動區(qū)域模型。1.3數(shù)學模擬方法在中間包研究中的應用第一步，求解域和問題的定義：根據(jù)問題的實際處理方法確定解決方案領域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域；第二步，求解域離散，近似于求解域具有不同的有限尺寸連接在一起的有限單元的小的離散域，通常稱為有限元網(wǎng)絡的劃分。顯然，單位越?。ňW(wǎng)絡越細），離散域越接近于離散域等級越高，計算越準確，但計算量和誤差都會增加，所以解析域的分化是有限元法的核心技術之一；第三步，確定狀態(tài)變量和控制方法：具體的物理問題，通?？梢允褂靡唤M微分方程表，其中包含了問題的狀態(tài)變量的邊界條件。它表明，為了適合于有限元的求解，通常將微分方程轉換為等效廣義函數(shù)。第四步，單位推導：單位構造出合適的近似解，即推導出有限單位列，包括選擇合理的單位坐標系，建立單位檢驗函數(shù)，用某種方法給單位的狀態(tài)變量的離散關系，使其形式為單元矩陣。第五步，裝配式解：將單元裝配在離散域中的總矩陣方程中（聯(lián)合方程組），反映了近似求解域的離散域的要求，即單元函數(shù)。數(shù)字的連續(xù)性是有一定的連續(xù)性條件的。在相鄰單位的節(jié)點上進行組裝。狀態(tài)變量及其派生的連續(xù)性在節(jié)點中建立。第六步，解出一組立方體方程并解釋結果：有限元法最終得出了耦合立方體方程組的求解，可以采用直接法、替代法和隨機法。其結果是單元格節(jié)點中狀態(tài)變量的近似值。對于計算的結果的質(zhì)量，將通過與設計準則提供的允許值比較來評價,并確定是否需要再次計算。1.4中間包冶金學概述20多年來，中外各國高校對中間包材料冶金的研究逐漸普及，并將研究成果轉化為生產(chǎn)中實用的技術措施。中間包冶金研究的主要內(nèi)容有:1）消除鋼液的再污染源，即防止二次氧化，減輕耐火材料的侵蝕，減少盤渣和鋼渣中不穩(wěn)定氧化物的危害。改善鋼水流動條件，去除鋼水中的非金屬夾雜物，防止短路流動，減少死區(qū)，改善流動方向，增加鋼水停留時間。選擇合適的液態(tài)鋼耐火材料內(nèi)襯和表面涂層劑，減少熱損失，有利于吸收上升的夾雜物。監(jiān)測鋼水的溫度，必要時增加加熱措施，保持鋼水過熱穩(wěn)定。鋼液在夾層中的流動不是理想的單相流動，而是鋼液和鋼渣的復雜流動。并伴有擴散相粒子的碰撞和運動。鋼材在夾層中的溫度場既不是等溫線，也不是等溫線，而在非等溫條件下的傳熱和循環(huán)則互為因果。因此，對于中間件的冶金工藝而言該研究也豐富了冶金反應的工程化?，F(xiàn)代的數(shù)學和物理模擬已成為中間包包裝冶金的主要研究方法。1.5中間包的作用19世紀50年代以來，隨著貝西美爾轉爐和平爐的出現(xiàn)以及大規(guī)模煉鋼的繁榮，人類社會的文明進步明顯加快。特別是20世紀以來，鋼鐵工業(yè)蓬勃發(fā)展，成為世界經(jīng)濟和社會文明進步的重要物質(zhì)基礎。在可預見的未來，鋼鐵在世界范圍內(nèi)仍將是一種非常重要的材料，它的綜合優(yōu)勢使其成為主要基礎工業(yè)和基礎設施中不可替代的材料。鋼鐵以其成本競爭力和大量的原材料儲備、易于開采和加工以及良好的可回收性，將繼續(xù)成為全球重要的基礎材料。在鋼鐵工業(yè)的發(fā)展過程中，基本原理沒有發(fā)生根本性的變化，但鋼鐵生產(chǎn)過程中的工藝技術形成和工程構成發(fā)生了巨大的變化，導致鋼廠的結構模式和生產(chǎn)工藝發(fā)生了深刻的變化。20世紀50年代，作為鋼鐵工業(yè)革命的標志，連鑄技術得到了發(fā)展，其特點是工藝速度快、投資集中、技術日趨成熟，1970年世界上連鑄的比例僅為5.6%，但到1990年，連鑄的比例已達到62.4%，在一些工業(yè)發(fā)達國家，連鑄的比例已超過95%。近年來，世界上許多鋼廠都以生產(chǎn)完全連鑄代替了壓鑄，1994年實現(xiàn)完全連鑄的國家達到24個。與傳統(tǒng)壓力鑄造相比，連鑄具有提高金屬成品率、降低能耗的優(yōu)點，同時減少金屬資源和能耗，符合可持續(xù)發(fā)展的需要。實施全連鑄后，簡化了鋼鐵生產(chǎn)過程，縮短了工藝流程，大大提高了生產(chǎn)效率。中間包是鋼鐵生產(chǎn)過程中的中間環(huán)節(jié)，是鋼鐵生產(chǎn)過程中的中間環(huán)節(jié)，是由間歇性作業(yè)到連續(xù)作業(yè)的銜接點。夾層作為冶金反應器，是提高鋼材產(chǎn)量和質(zhì)量的重要組成部分。中間包的作用不容忽視，無論是為了連鑄作業(yè)的順利進行，還是為了保證連鑄液的質(zhì)量，中間包的作用都不可忽視。一般認為，中介機構的職能是：1.偏差；在多流式連鑄機中，鋼筋被多刀隔板偏轉。2.連鑄機的作用。在多爐連鑄的情況下，中間鋼包中儲存的液體在更換轉鼓時起到粘結作用。3.減壓效果。盛鋼筒內(nèi)的液面高度為5-6m，沖擊力非常大，在鑄造過程中的變化幅度也很大。間隔斗的高度比保溫桶要低，變化幅度也要小得多，所以可以用來穩(wěn)定澆注過程，減少鋼水流動對凝固結晶器殼體的影響。4.去除雜質(zhì)；間隔桶作為鋼水凝固前最后一個耐火容器，對鋼水的質(zhì)量有重要影響，應盡可能在鋼水處于液態(tài)時將非金屬夾雜物顆粒從鋼水中排除。5.保護作用。鋼包內(nèi)的鋼材通過鋼包表面蓋板、長管等保護裝置減少外部污染。中間包的冶金學研究應該發(fā)揮的作用是1、改善鋼水的流動條件，最大限度地消除鋼水中的非金屬夾雜物；即避免短路流動，減少死區(qū)，改善流動方向，增加鋼水的停留時間。2、控制好鋼液的溫度，必要時增加加熱措施，使鋼液的過熱程度保持穩(wěn)定。3、選擇合適的耐火襯里材料和熔池覆蓋劑，既能減少熱損失，又能促進分離吸收和夾雜物提升。計算流體力學是研究各種流場的一種非常有效的方法。層間冶金的特點是鋼液流動中的各種冶金過程，因此可以用計算流體動力學方法求解層間流場。由于中間包結構的復雜性，除早期采用二維流場計算外，基本上都是通過三維流場計算來解決。優(yōu)道公司此前對三維流場計算進行了研究，利用其計算程序計算出了各種鋼液中間包的流動特性和影響因素，并在此基礎上進行了三維流場計算。肖澤強等人將自己的成果應用于長期研究鋼液對氬氣吹入盛鋼桶的流動，還計算出了各種夾層中的流場，并較早地指出了非等溫態(tài)夾層中的流場研究，指出不能忽視自然對流的影響，并對水模型進行了實驗驗證。計算流體力學方法是目前中級包冶金分析的主要手段，隨著計算機硬件和軟件的快速發(fā)展，計算流體力學將在冶金科學技術中得到更廣泛的應用。

第二章緒論2.1研究背景2.1.1本研究的目的和意義中間包作為冶金反應器中一個重要的環(huán)節(jié)，可以提高鋼的產(chǎn)量和質(zhì)量。它不僅起到儲存和分配鋼水的作用，而且還起到浮除鋼水中非金屬夾雜物的作用。它是防止鋼水二次氧化，減少鋼水內(nèi)部氧化的重要場所，起到去除夾雜物及防止鋼包渦流夾渣等重要作用。近幾十年來，國內(nèi)外許多冶金工作者應用物理模擬和數(shù)學建模來模擬中間包內(nèi)部流動情況。本次用到的是數(shù)學模擬，通過ANSYS軟件來進行有限元分析，得出想要的過程數(shù)據(jù)。有限元分析的基本概念是用簡單問題代替復雜問題，然后解決它。它把解域看作稱為有限元的小互連子域合成，假設每個元素有一個合適的近似解，然后推導出解。該域滿足條件，從而得到問題的解。這個解不并不完全準確，但是一個近似解，因為實際問題被一個更簡單的問題所代替。因為大多數(shù)數(shù)值問題很難得到精確解，有限元法不僅具有較高的計算精度，而且它能適應各種復雜情況，成為一種有效的工程分析方法。有限元是離散的薄片，可以一起表示實際的連續(xù)區(qū)域單元。有限元的概念在幾個世紀前就已經(jīng)產(chǎn)生和應用了，例如用多邊形用于近似圓以獲得圓的周長，但它是作為一種方法提出的時候，已經(jīng)是最近的事情了。有限元法最初被稱為矩陣近似法，在飛機結構強度計算中，由于其方便、實用、有效，這引起了從事機械研究的科學家的極大興趣。幾十年后隨著計算機技術的急速發(fā)展和普及，有限元法得到了迅速的發(fā)展。從結構工程強度分析計算到幾乎所有的科學技術領域，它是一種豐富多彩、應用廣泛、實用高效的數(shù)值分析方法。ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā),它能與多數(shù)CAD軟件接口,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換,是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中的高級CAD工具之一。軟件主要包括三個部分:前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具,用戶可以方便地構造有限元模型;分析計算模塊包括結構分析(可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析,可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用,具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力;后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來,也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出,軟件提供了100種以上的單元類型,用來模擬工程中的各種結構和材料。本次模擬是用給定的六流連鑄中間包，來進行流動模擬，旨在讓學生學習與實踐結合，增強學習能力，熟練使用模擬軟件，了解仿真模擬在工程中的重要性。2.1.2研究內(nèi)容 通過學習中間包冶金科學技術，利用ANSYS軟件，建立六流中間包模型，進行鋼液在中間包內(nèi)的流動模擬，用三個速度進行對比試驗，分別為原始速度、0.7倍原始速度、1.3倍原始速度，計算之后比較各組各個截面的速度場、溫度場、壓力場以及流線。2.1.3中間包冶金技術的發(fā)展 20世紀50年代，連鑄技術的發(fā)展是鋼鐵工業(yè)革命的重要標志。20世紀50年代中期，連鑄技術從實驗室試驗階段進入工業(yè)生產(chǎn)階段。連鑄在20世紀60年代得到了廣泛應用，由于弧形連鑄機的出現(xiàn)和發(fā)展，連鑄技術在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應用。1970年，世界連鑄比只有5.6%，但1990年，世界連鑄比達到62.4%，在一些發(fā)達國家，連鑄比達到95%以上。近年來，世界上許多煉鋼廠已相繼用全連鑄生產(chǎn)取代了模鑄生產(chǎn)。到1994年，24個國家實現(xiàn)了全連鑄。連鑄技術在中國也得到了很大的發(fā)展。早在1958年，中國就建成了第一套連鑄設備。到20世紀80年代中后期，連鑄技術在中國得到了迅速發(fā)展。1978年，我國連鑄板坯產(chǎn)量從121.7萬噸提高到連鑄比的22.3%；1994年，連鑄板坯產(chǎn)量增加到3885.03萬噸，連鑄比增加到40.3%；1997年，連鑄板坯產(chǎn)量達到6606萬噸，連鑄比達到60.65%；2004年，連鑄板坯產(chǎn)量達到2696萬噸，連鑄比達到96.3%；2006年，中國的連鑄比達到98.57%。隨著連鑄生產(chǎn)的快速增長，中國鋼鐵產(chǎn)量實現(xiàn)了高效、連續(xù)、快速的增長。連鑄技術的發(fā)展不僅是為了提高連鑄比，也是為了提高連鑄板坯的質(zhì)量。為了保證連鑄高質(zhì)量的鋼坯，鋼水必須有足夠的純凈度，鋼水的成分范圍應盡可能精確控制鋼水的溫度和過熱度，并使其長期保持穩(wěn)定。所以人們更加關注鋼包冶金的作用和地位。然而，當鋼包冶金中鋼水的純度提高時，鋼水再污染的風險更大。隨著鋼水與環(huán)境(大氣、耐火材料等)之間雜質(zhì)濃度差(或化學電位差)的增加，再污染的可能性和速度將會增加。連鑄中間包是一個內(nèi)襯耐火材料的容器，它在鑄造過程中并覆蓋有頂渣。當鋼水停留在中間包中時，它將與周圍區(qū)域接觸，環(huán)境中總是有熱交換和物質(zhì)交換。因此，在鋼水通過中間包的過程中，會發(fā)生一些事情，物理和化學的變化是不可避免的。因此，在鋼包冶金之后，中間包冶金變得越來越重要。“中間包冶金”的概念是在20世紀80年代初提出的。中間包冶金是一種特殊的爐外精煉技術，從熔化精煉到生產(chǎn)固態(tài)連鑄板坯，是保證鋼質(zhì)量的關鍵。中間包冶金的主要功能如下:分流功能:特別是對于一臺多流中間包的機器，其重要的基本功能是分流。由于中間包的幾何形狀受多種因素的限制，對于三流以上的連鑄機來說，合理、均衡、穩(wěn)定的分流是中間包的重要功能之一，有利于夾雜物的排出。凈化功能:為提高鋼的純度，如在中間包采用堰壩、吹氬、陶瓷過濾等措施，可顯著降低鋼中非金屬夾雜物的含量。調(diào)溫功能:為了使中間包澆注前后鋼水的溫差小于5℃，盡可能接近澆注的液相線溫度，從而擴大板坯的等軸晶區(qū)，減少中心偏析。成分微調(diào):將鋁、鈦、硼等芯線加入或喂入中間包或從中間包塞棒中心孔喂入模具，實現(xiàn)鋼中合金成分的微調(diào)，可提高易氧化元素的產(chǎn)量，減少水口堵塞。精煉功能:在中間包鋼水表面加入處理渣，吸收鋼中的漂浮夾雜物，或改變中間包進料線中Al2O3夾雜物的形態(tài)。加熱功能：中間包采用感應加熱或離子加熱等措施，可將鋼水澆注溫度波動精確控制在±3~5℃范圍內(nèi)。其中，鋼水的凈化、調(diào)溫和加熱是近20年來中間包冶金研究的熱點，一些研究成果已轉化為實際生產(chǎn)中應用的技術措施。尤其是近年來，中間包鋼水凈化技術在國內(nèi)外得到了長足的發(fā)展。過去，為了做中間包夾雜物的去除主要采用防止鋼水再次被污染的技術，更換鋼包時盡量減少鋼包渣。鋼包到中間包澆注采用長水口，防止鋼液與包襯耐火材料的反應，中間包密封技術等。上世紀七八十年代，出現(xiàn)了在中間包安裝流量控制裝置的措施。以改變中間包內(nèi)鋼水的流動規(guī)律。目前，為提高鋼水潔凈度，已開發(fā)出湍流控制器、離心中間包和旋轉管閥等新技術。為了在中間包內(nèi)，需要鋼水創(chuàng)造良好的條件，使夾雜物不隨注入流流入結晶器而向上漂浮。中間包內(nèi)有合理的流型和足夠的停留時間，使夾雜物浮到中間包液位。2.2ANSYS的運用 2.2.1有限元分析基本理論 有限元分析的基本概念是用較簡單的問題代替復雜的問題，我們?nèi)缓笤偃ハ朕k法求解。他把解的域看作是許多小的相互聯(lián)系的集合，稱為有限元的集合，子域的組成，假設有一個適合于每個單元的粗略解，然后推導出解。這個域滿足了條件，從而得出了問題的解。這不是一個確切的解。而是用一個比較簡單的問題代替了實際問題，是一種粗略的解決方法。實際的數(shù)的問題很難精確地解決，而有限元不僅計算精度高，而且有限元具有適應各種復雜形狀的能力，是一種有效的工程分析工具。有限元是指那些離散的元素。這項研究對機械科學工作者來說是非常有意義的。經(jīng)過短短幾十年的時間，隨著計算機技術的飛速發(fā)展和普及，有限元方法迅速地從結構工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域。它是一種豐富多彩、應用廣泛、實用高效的數(shù)值分析方法。在20世紀60年代初，第一次Clough教授在結構力學計算中引入了有限元的概念，比喻為"有限元"。將其特征化為：/有限元法=RayleighRitz法+分片函數(shù)0。將函數(shù)定義在簡單幾何形狀的單元域上,且不考慮整個定義域的復雜邊界條件,這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。2.2.2ANSYS有限元分析的發(fā)展趨勢 有限元這個術語最早出現(xiàn)在1965年，直到今天，有限元仍在工程領域中廣泛使用。它在工程領域得到了廣泛的應用，在理論和算法方面都有30多年的發(fā)展歷史。變得越來越好了，一天比一天好。近年來，隨著計算機技術的普及，以及計算機速度的提高持續(xù)改進，有限元分析在工程設計和分析中的應用越來越廣泛。它已成為解決復雜工程分析和計算問題的有效手段?，F(xiàn)在從汽車到航天飛機，幾乎所有的東西都是在設計和制造上受到限制。機械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木工程等領域的性能元分析計算。建筑、電子、國防軍工、船舶、鐵路、石油化工、能源、科研等。在設計的層面上，很多領域的應用已經(jīng)實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，特別是有以下幾個方面：1）與CAD軟件的無縫集成當今FEA軟件的趨勢之一是與通用CAD軟件一起工作。CAD軟件的綜合利用，即完成零部件的建模后，即完成零部件的綜合利用。將模型直接傳輸?shù)紺AE軟件中，用于有限元網(wǎng)格劃定和有限元網(wǎng)格劃定。分析計算，如果分析結果不符合設計要求，重新設計和分析，直到滿意為止，從而大大提高了設計水平和效率。2）更強大的網(wǎng)絡處理能力有限元法解題的基本過程主要包括：對離散對象的分析的三個部分是：化學、有限元解和計算結果的后處理。由于結構是離散的網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響到解析時間和結果的正確性。多年來，軟件開發(fā)者加大了對網(wǎng)格處理的投入，使網(wǎng)格大大提高了生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。對于很多工程實際問題的情況下，在整個求解過程中，模型的某些地方會有很大的壓力。導致裝置中的變形，造成溶液失效或溶液不正確的結果，因此，網(wǎng)絡的自動再分配是必要的。自適應嚙合通常是許多工程問題的主題，如裂紋擴展、箔片形成等。是變形分析的必要條件。3）從線性問題解決向非線性問題解決的轉變隨著科學技術的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠遠不能滿足設計中的許多工程問題，如材料的損壞和失效、裂紋擴展等，完全依賴于線性理論根本無法解決，必須用非線性分析法來解決。對膠水、陶瓷、混凝土、土工等材料的分析，可能需要考慮材料的可塑性、在結轉效應的情況下，必須考慮到材料的非線性。4）單結構場解對耦合場問題的解決方法的發(fā)展歷程有限元分析方法最早應用于航空航天領域，主要用于解決航空航天領域的線性結構問題，事實證明，這是一種非常有效的數(shù)值分析方法。目前，解決線性結構問題的有限元方法和軟件已較多地應用于解決線性結構問題。發(fā)展方向是結構非線性、流體力學和耦合場問題的解決。隨著有限元的應用越來越復雜，所關注的問題也越來越復雜。耦合領域的解決方案，希望能成為ANSYS軟件的發(fā)展方向。5）以用戶為中心的程序開放隨著營銷力度的加大，軟件開發(fā)商都在尋求擴大市場份額為了滿足用戶的需求，我們在軟件的功能和易用性上花了不少錢但由于用戶的需求千差萬別，無論用戶如何嘗試，都會有很大的差異?？梢詽M足所有用戶的需求，所以要給用戶一個開放的環(huán)境。允許用戶根據(jù)自己的實際情況對軟件進行擴展，包括用戶定義的程序。用戶定義的材料結構（結構結構、熱結構、流體結構）。例如，用戶定義的流場邊界條件、用戶定義的結構斷裂準則和斷裂準則、谷物膨脹的規(guī)律等。2.2.3ANSY的軟件功能 a.預處理模塊：實體建模和網(wǎng)格化1）ANSYS程序提供了兩種實體建模方法：自上而下和自下而上。當從上至下對實體進行建模時，用戶定義了模型的最高級別，球體、棱鏡等圖形元素被稱為基元，程序自動定義了相關的面、線、鎖等圖形元素。關鍵點：用戶使用這些高級元素直接構建幾何模型，如二維圓等，用戶可以使用這些高級元素（長方形，以及三維塊、球、圓錐和圓柱）直接構建幾何模型。無論是自上而下還是自下而上的使用，自下而上的建模，用戶可以使用布爾運算來組合數(shù)據(jù)集，從而使/ANSYS程序提供了完整的布爾運算。像加法、減法、相交、相乘、除法、聯(lián)接和疊加的東西。在創(chuàng)建復雜實體的模型時對線、面、體和基元進行布爾運算，可以減少大量的建模工作。ANSYS程序還提供拖放、旋轉、移動、擴展和復制等功能。殼的實體模型的功能加倍。其他特點還包括弧線的構造、切線的構造和面與車身相交、線與面的自動計算，通過拖動和旋轉，自動計算出面與車身相交、線與面的自動生成倒角，創(chuàng)建、移動、復制和刪除硬點，用于網(wǎng)格分割。對于自下而上的實體建模，用戶從最底層的元素向上建立模型。也就是說，用戶首先確定關鍵點，然后按這個順序依次是相關的線、面、體。2)ANSYS程序為CAD模型提供了用戶友好的、高質(zhì)量的輸入行格的劃分功能。它包括四種網(wǎng)格分割方法：擴展分割、圖像分割、圖像劃界、自由劃界和適應性劃界延伸的網(wǎng)絡劃分，使二維網(wǎng)絡可以被網(wǎng)絡延伸成一張立體的網(wǎng)。圖像網(wǎng)格的劃分使用戶可以放置幾何模型。將其分解成簡單的部分，然后選擇合適的單元格屬性和網(wǎng)格控件。ANSYS自由分格器的功能非常強大，復雜模型的大而直接的劃分，避免了用戶對復雜模型的單獨劃分的需要組裝時各部分網(wǎng)絡的不匹配的問題，沒有完成。適應網(wǎng)絡的適應性網(wǎng)絡網(wǎng)絡拆分是指帶邊界條件的實體模型生成后，用戶指示用戶使用網(wǎng)絡的過程。序列自動生成有限元網(wǎng)格，分析、估計網(wǎng)格的離散誤差，然后再重新生成新定義的網(wǎng)絡規(guī)模，重新分析計算，估計離散網(wǎng)絡誤差，直到誤差達到差額小于用戶定義的值或達到用戶定義的解數(shù)。b.解決方案模塊在預處理階段完成建模后，用戶可以在解析階段獲得分析結果。結果：在這個階段，用戶可以定義分析類型、分析選項、數(shù)據(jù)加載等。ANSYS軟件提供的分析具體類型如下：1)靜態(tài)結構分析。靜力分析非常適用于解決慣性和阻尼對結構的影響不大的問題ANSYS程序中的靜態(tài)分析不僅可以進行線性分析，而且還可以進行并行塑性、蠕變、蠕變、膨脹、高變形、高應力等非線性分析和暴露分析。結構動力學分析。采用結構動力學分析法解決時間依賴性問題。荷載對結構或構件的影響。與靜態(tài)分析不同，動態(tài)分析需要考慮力載荷隨時間的變化及其對阻尼和慣性的影響。結構動力學分析的類型包括：瞬態(tài)動力學分析、模態(tài)分析、結構動力學分析。狀態(tài)分析、諧波響應分析和隨機振動響應分析。3）結構性非線性分析。結構非線性會導致結構或構件發(fā)生反應。ANSYS程序能夠解決靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題。包括物質(zhì)非線性、幾何非線性、單位非線性等。4）動力學分析：ANSYS程序可以分析大型三維軟體的運動情況。當運動的累積效應發(fā)揮較大的作用時，這些特點可以用來分析復雜的結點。結構在空間中的運動特性及由此產(chǎn)生的結構應力和應變，諸如此類。5）熱分析。程序可以處理三種基本的傳熱類型：傳導，對流和輻射。所有三種類型的傳熱方式都有：穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性。線性分析。另外，熱分析有相，可以模擬材料的固化和熔化過程。仿真熱應力和結構應力的變化分析及耦合熱結構分析能力。6）電磁場分析。主要用于分析電磁場問題，如電感、電學問題等。體積、磁通密度、磁通密度、渦流、電場分布、力的軌跡分布、力、運動效應、電。它還可用于電磁閥、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機和轉換器設計和分析磁鐵、加速器、電解器和無損檢測設備。7）流體分析：ANSYS流體單元可以進行流體動力學分析。分析有兩種類型，即瞬時和靜止。分析結果存儲在通過每個單元的壓力和流量以及后處理能力，以實現(xiàn)圖形化顯示生物壓力、流速和溫度分布。另外，3D所述表面效應單元和所述熱流體單元模擬所述結構周圍的流體流動，所述表面效應單元和所述熱流體單元包括分析所述表面效應單元和所述熱流體單元這是一種熱傳導效應。8）聲場分析：利用程序的聲學能力來研究流體在含流體介質(zhì)中的影響。分析聲波在質(zhì)量中的傳播，或者分析浸入流體中的固體結構的動態(tài)特性。這些功能可以用來考察話筒的頻率響應，考察音樂廳的聲音，預測水對振動船體的阻尼效果。9）進行壓電分析。用于分析二維或三維結構對交流（交流電）和直流（直流電）的影響(DC)或?qū)﹄娏骰驒C械負載隨時間變化的響應。分析型可用于熱交換器、振蕩器、諧振器和傳聲器等電氣元件?？蛇M行四種類型的分析:模態(tài)分析、靜態(tài)分析、瞬態(tài)響應分析、諧波響應分析。C.后期處理模塊ANSYS軟件中的后處理過程包括兩部分。POST1和時間課程后處理模塊POST26。溶解處理的計算結果可以很容易得到并顯示出來。這些結果可能包括位移、溫度、應力、應變、速度、熱流等形式的輸出。它既有圖形顯示，又有數(shù)據(jù)列表。1）一般的后處理模塊POST1.該模塊在前面的你可以通過圖形化的方式查看，也可以導出。例如，模型上的計算結果(例如，應力)可以用以下方式顯示出來，可以用不同的等高線圖來表示，用不同的等高線顏色代表不同的等高線的差異。相同的值（如，應力值）。用不同的顏色來表示不同的數(shù)值。例如，應力范圍，清楚地反映了計算結果的區(qū)域分布。2）時間課程響應后處理模塊POST26。在一個時期或過程中的結果，如節(jié)點的位移、應力或分支反應等。這些結果可以通過繪制曲線或列表的方式來看。繪制一個或多個變量。隨頻率和其他量的變化而變化的曲線有助于分析結果的直觀化。第三章六流方坯中間包流動的數(shù)學模擬3.1建立控制方程這里的數(shù)學模型是在以下的假設條件中建立起的：穩(wěn)定流是中間包內(nèi)鋼液流動狀態(tài)；b)密度ρ為常數(shù)，即忽略溫度對密度的影響；c)不考慮鋼液的表面渣層影響。鋼液在中間包流動是一個復雜湍流流動的過程，連續(xù)性方程、，描述湍流模型的k?ε雙方程模型以及動量方程即納維爾-斯托克斯（Navier-Stokes）方程可以描述鋼液在中間包內(nèi)流動的方程。1)連續(xù)方程鋼液在中間包內(nèi)流動應該滿足質(zhì)量守恒關系：(3-1)2)動量方程鋼液由鋼包進入中間包里，呈湍流狀態(tài)在中間包內(nèi)的流動，描述鋼液湍流流動的湍流納維爾—斯托克斯（Navier-Stokes）方程如下所示：(3-2)在推導上述方程過程中，并沒有區(qū)分流動的類型，正因這樣可以認為納維爾－斯托克斯方程和連續(xù)性方程也適用于紊流流動，只是各個變量用瞬時的變量替換。以這兩個基本方程為出發(fā)點，可以得到大量符合實際的數(shù)值模擬結果，證實上述結論成立。從理論上來講，在處理湍流的問題時，利用給出的邊界條件和初始條件，跟據(jù)基本方程，可以得出表明系統(tǒng)狀態(tài)的壓力、速度等瞬時變量在空間分布以及隨著時間的變化，即獲得了湍流結構。但是由于受到了計算機計算速度和存儲量的限制，目前要這樣做還夠不現(xiàn)實。但對于像中間包這樣的問題，迫切需要的是湍流量的平均值。因此，在分析中間包中發(fā)生的物質(zhì)傳輸過程時，我們迫切需要的是它們的平均值。這樣對方程式(3-1)和(3-2)中的瞬時量，進行時均處理操作，可以得出：(3-3)(3-4)則不可壓縮流體湍流流動的時均運動方程和時均連續(xù)方程為：(3-5)-湍流流動過程的時均流速m/s。在三維直角坐標系下用u，v，w來表示x，y，z三個方向上的時均流速的情況下，(3-5)式可以變成：(3-6)在穩(wěn)態(tài)流動下、且鋼液的密度是定值時，式(3-6)可進一步簡化，如下：(3-7)在鋼液的密度是定值的條件下，式(3-4)可簡化成為：(3-8)稱為雷諾應力（Reynoldsstress），是一種二階對稱應力張量。由于雷諾應力的出現(xiàn)，造成了體系中未知數(shù)的個數(shù)超過了獨立方程的個數(shù)，造成方程組的缺項。為了使方程變得封閉，用來求解，必須要補充所缺少的方程式，所以湍流理論所需要解決的問題正是如此。如此獲得雷諾應力的方式，在湍流理論中稱湍流模型。即使湍流的流動過程現(xiàn)象極其的復雜，對其研究也沒有得到完全的成功，但在之前的幾十年間里獲得了相當大的進展。鮑辛內(nèi)斯克式是早期提出湍流模型的學者，他在1877年提出這個概念，他將時均速度梯度與雷諾應力關聯(lián)起來，用類似于牛頓定律的形式表示出來什么是局部湍流。應力與時均流速度梯度成正比。這里對于雷諾應力直接使用廣義鮑辛內(nèi)斯克渦團粘度模型：(3-9)(3-10)式中：-雷諾應力，N/m2；-與主流方向垂直的空間坐標，m；-為湍流動量擴散系數(shù)或湍流粘度系數(shù)，Pa·s。-主流方向時均流速度，m/s；(3-11)將式(3-10)和式(3-11)帶入（3-8）式中：(3-12)式中：(3-13)是在i方向上單位體積流體所受重力的分力。由于在一般情況下壓力梯度項的數(shù)值遠遠小于重力項數(shù)值，如不進行特殊條件處理，壓力梯度變化對流場的影響就難以在數(shù)值計算中體現(xiàn)出來了，這樣會直接影響數(shù)值求解的收斂性和校正過程。一般的處理方法是增強壓力梯度項的重要性，重新定義壓力項如下：(3-14)所以：(3-15)將(3-15)式代入式(3-12)，得出：(3-16)對上式進行進一步簡化，因為是不定式，所以式(3-16)變化為：(3-17)利用三維直角坐標系，用u，v，w來表示x，y，z三個方向上的時均速度，上式可以表示為：(3-18)(3-19)(3-20)3)雙方程模型，由式(3-12)與式(3-8)對比可以看出來，兩式的差別僅僅在于粘度系數(shù)。式12用有效粘度系數(shù)代替了式8的分子粘度系數(shù)μ。這樣的話湍流粘度系數(shù)模型通過給出時均速度與雷諾系數(shù)之間的關系式，把均流方程的不封閉性轉移到湍流粘度系數(shù)上，把問題歸結到的上面。可以用湍流的模型來計算。所謂的湍流模型，就是把與湍流的時均參數(shù)關聯(lián)起來的關系式?，F(xiàn)代應用中的湍流模型有單方程模型、零方程模型、修正的k?ε模型、k?ε雙方程模型、代數(shù)應力模型、k?w模型、湍流渦旋學說的大渦模擬(LES)、湍流應力模型等。代數(shù)應力模型與單方程模型僅能反映出當?shù)赝牧鞯挠绊?，不能反映擴散與對流的效應，只能用于模擬較簡單的湍流流動模型。應用最為廣泛的是k?w雙方程模型。研究數(shù)據(jù)表明，標準的k?ε模型對注入?yún)^(qū)的模擬比較好；k?ε模型可自動模擬層流向湍流的轉捩，但式得到由層流向湍流的轉捩點較實驗值低。盡管這樣，實際上對中間包進行數(shù)值模擬時，很多研究者依舊采用Spalding和Launder提出的k?ε雙方程模型。k?ε雙方程模型的控制方程為：k方程：(3-21)ε方程：(3-22)式中：(3-23)所有上述式中，均為經(jīng)驗常數(shù)，采用Spalding和Launder的推薦值，如下：。耗散率ε和湍動能k通常用同一個通式表示：(3-24)湍動能k(Φ=k)：(3-25)(3-26)耗散率ε(Φ=ε)：(3-27)(3-28)在直角坐標系下，取Γ為常數(shù)，(3-24)式可以變成：(3-29)其中：(3-30)3.2數(shù)學模擬方案采用整體六流連鑄中間包，本次準備的數(shù)學模擬方案有以下3種，具體方案如下所示：浸入式水口與出水口設置膨脹層，鋼液入口速度設為1.4m/s；浸入式水口與出水口設置膨脹層，鋼液入口速度設為0.98m/s（入口速度降低百分之三十）；浸入式水口與出水口設置膨脹層，鋼液入口速度設為1.82m/s（入口速度增加百分之三十）。3.3計算區(qū)域的選取由于是剛剛入門ansys軟件，模型的建立不是很熟練，一般正常的中間包都是對稱形狀，所以網(wǎng)格劃分包括計算過程都是采用一半的模型，從中間平分模型，減少了網(wǎng)格數(shù)量，既可以節(jié)省計算的工作量還能提升計算機的計算速度。但是我們本次不采用二分之一算法，我們?yōu)榍笥嬎愕臏蚀_性，降低容錯率，使用整體模型進行模擬運算。

3.4網(wǎng)格劃分統(tǒng)一設置為25mm。見下圖3.1圖3.1網(wǎng)格劃分之后的六流中間包以初始模型（v=1.4m/s）為例，網(wǎng)格劃分之后可以得到1042584個節(jié)點，5651738個網(wǎng)格。圖3.2截取的網(wǎng)格數(shù)和節(jié)點3.5邊界條件的設定當進行正常澆筑時，計算整個中間包區(qū)域，設置邊界條件如下：首先將六個出口設置為自然出流（outflow），與六個出口最近相切的面設置為下壁面，類型為墻，熱邊界條件散熱設置為1400W/m^2；入口設為速度入口，初設溫度設為1803K；與入口相切的壁面，我們叫它入口壁面，熱邊界條件設置為1700W/m^2；出口壁面同樣給到1700W/m^2；側壁面相對散熱多一些，設置為3800W/m^2；塞棒的熱邊界條件也為1700W/m^2；湍流抑制器同樣不過多計算設置為1700W/m^2；上壁面是散熱最多的一個面，我們這里將他的熱邊界條件給到15000W/m^2。鋼液的物理性質(zhì)參數(shù)，它的密度設置為隨溫度變化的多項式，在計算過程中大致不變，可以認為ρ=7.0kg/cm3；定壓比熱容設置為750J/(kg·K)；熱導率設置為42W/(m·K)；粘性系數(shù)設置為0.0067。

3.6數(shù)學模擬計算對模型進行流場模擬計算，通過調(diào)節(jié)時間步長，控制求解的精度，達到收斂的結果。收斂的判定標準為速度計算殘差小于等于10^-4。計算機配置為家用筆記本電腦，使用ANSYS進行本地單機雙CPU并行計算，迭代計算步數(shù)接近2000步，計算達到收斂的時間約為12小時。圖3.3為數(shù)值計算中的典型收斂曲線。圖3.3典型收斂曲線紅色曲線（最下面一條）為壓強收斂曲線，綠色曲線（最上面一條）為速度收斂曲線。3.7模擬的結果對比與討論在本研究中，利用連續(xù)性方程、非可壓縮粘性流體的N-S方程和標準湍流模型來模擬鋼在中間層的穩(wěn)態(tài)流動過程。通過加載相應的邊界條件，利用有限元模擬分析軟件ANSYSCFX對流場進行了模擬。經(jīng)過多次修改網(wǎng)格大小，保證了計算結果的收斂性。使用ANSYS_CFX軟件本身提供的后處理程序，得到以下模擬結果：3.7.1三種速度下速度矢量對比圖3.4三種速度下同一截面的速度矢量圖圖3.5三種速度下上壁面截面流線圖由圖3.4和圖3.5，經(jīng)過對三種不同速度下不同截面的對比可以得到非常明顯的關系，入口速度越大，入口的流線速度也越大，進入中間包內(nèi)的速度也越大，整體的流線軌跡受速度影響不大。同樣在湍流抑制器的產(chǎn)生漩渦。圖3.6出口管道截面流線出口截面流線經(jīng)過對比也是隨著入口速度增長而增長，流線軌跡基本不變，如圖3.6所示。3.7.2三種速度下溫度場對比圖3.7三種速度下上壁面截面溫度場由圖3.7可以看出，在同一截面里，速度越快，損失的溫度也就越少，在同一截面的溫度也就越高，相同的是以入口為圓心，溫度呈圓形分布，外部溫度低，中間溫度高。圖3.8三種速度下入口截面溫度場圖3.8所示入口管道截面三種速度的溫度場對比，可以看出原始速度、增大百分之三十和在速度減少百分之三十的溫度場界面圖結構相似，只是個點溫度由于速度差異的不同，造成它的溫度場個點溫度不同，但是整體結構相同，都是以入口點圓心，上表面為半徑的圓形分布，在湍流抑制器里溫度都比較平均。圖3.9三種速度下出口截面溫度場通過圖3.9可以得出在三種速度下出口截面的溫度場對比，整體溫度成環(huán)形分布，入口速度越大，出口溫度、中間包內(nèi)溫度也越大，速度越大熱量流失越少。3.7.3三種速度下壓力場對比圖3.10上壁面截面壓力場圖3.11出口截面壓力場圖3.12入口管道截面壓力場整體壓力場由圖3.10，圖3.11，圖3.12所示，基本壓力都為定值，在入口處壓力，隨著管道深入逐步遞減，進去中間包內(nèi)壓力基本穩(wěn)定（在這里并沒有考慮速度差引起的壓力變化）。3.7.4三種速度下速度場對比圖3.13三種速度下入口截面速度場（主視）圖3.14三種速度下入口截面速度場（側視）通過上述圖3.13和圖3