冶金過(guò)程數(shù)值模擬

冶金過(guò)程數(shù)值模擬

NumericalModellingofMetallurgicalProcessing主講：吳永全上海大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院，材料工程系，冶金工程教研室本科生課程——冶金過(guò)程數(shù)值模擬2025/1/3本科生課程——冶金過(guò)程數(shù)值模擬2025/1/3本科生課程——冶金過(guò)程數(shù)值模擬49/staff/Wu_YongQuan/2025/1/3本科生課程——冶金過(guò)程數(shù)值模擬186021063562025/1/31.理解第一位——概念的理解是學(xué)習(xí)過(guò)程的關(guān)鍵之關(guān)鍵，能夠達(dá)到舉一反三的理解才算真正到位；2.應(yīng)用既是過(guò)程也是目的——知識(shí)的應(yīng)用是鞏固學(xué)成的過(guò)程，也是最終學(xué)成的目的；3.自學(xué)是大學(xué)學(xué)習(xí)的本質(zhì)特征——訓(xùn)練和強(qiáng)化自學(xué)能力是大學(xué)生涯最根本的任務(wù)，但事實(shí)是大部分學(xué)生到研究生階段仍然沒(méi)有好的自學(xué)能力和自學(xué)習(xí)慣，請(qǐng)記住：從現(xiàn)在開(kāi)始系統(tǒng)培養(yǎng)自己的自學(xué)能力還為時(shí)未晚；本科生課程——冶金過(guò)程數(shù)值模擬2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——參考書目陳建斌編著，冶金過(guò)程數(shù)值模擬基礎(chǔ)，冶金工業(yè)出版社，2019舍克里等著、蔡開(kāi)科譯，金屬初級(jí)加工過(guò)程的數(shù)學(xué)和物理模型，冶金工業(yè)出版社，1992蕭澤強(qiáng)，朱苗勇著，冶金過(guò)程數(shù)值模擬分析技術(shù)的應(yīng)用，冶金工業(yè)出版社，2019張玉柱、艾立群編著，鋼鐵冶金過(guò)程的數(shù)學(xué)解析與模擬，冶金工業(yè)出版社，20192025/1/3*冶金數(shù)值——緒論——先選課程《冶金物理化學(xué)》《鋼鐵冶金原理》《流體力學(xué)》《數(shù)值分析》《計(jì)算機(jī)編程》冶金數(shù)值——授課內(nèi)容授課內(nèi)容緒論數(shù)值求解方法冶金過(guò)程數(shù)值模擬數(shù)學(xué)描述3學(xué)時(shí)6學(xué)時(shí)15學(xué)時(shí)6學(xué)時(shí)另外加上6學(xué)時(shí)的課外計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。導(dǎo)熱問(wèn)題數(shù)值模擬對(duì)流與擴(kuò)散數(shù)值模擬流場(chǎng)計(jì)算簡(jiǎn)介2025/1/3冶金數(shù)值——授課內(nèi)容授課內(nèi)容緒論數(shù)值求解方法冶金過(guò)程數(shù)值模擬高爐煉鐵過(guò)程數(shù)值模擬轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程數(shù)值模擬爐外鋼包數(shù)值模擬連鑄過(guò)程數(shù)值模擬計(jì)算流體力學(xué)其它興趣數(shù)學(xué)描述緒論2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——目錄基本概念1數(shù)學(xué)模型的分類2數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟3數(shù)學(xué)模型的作用與意義4基本概念1舉例說(shuō)明52025/1/3冶金數(shù)值——緒論——基本概念冶金冶煉金屬2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——基本概念鋼鐵冶金流程簡(jiǎn)介原材料處理高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼連鑄連軋……steelcool/2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——基本概念鋼鐵冶金流程簡(jiǎn)介原材料處理高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼連鑄連軋……2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——基本概念鋼鐵冶金流程簡(jiǎn)介原材料處理高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼連鑄連軋……高爐煉鐵2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——基本概念鋼鐵冶金流程簡(jiǎn)介原材料處理高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼連鑄連軋……高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——基本概念鋼鐵冶金流程簡(jiǎn)介原材料處理高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼連鑄連軋……高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——基本概念鋼鐵冶金流程簡(jiǎn)介原材料處理高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼連鑄連軋……高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼連鑄2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——基本概念鋼鐵冶金流程簡(jiǎn)介原材料處理高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼連鑄連軋……高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼連鑄連軋2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——基本概念冶金過(guò)程數(shù)值模擬冶煉金屬實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的物質(zhì)處理單元。數(shù)學(xué)模型Mathematicalmodel數(shù)學(xué)模擬Mathematicalmodelling數(shù)值模擬Numericalmodelling用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述實(shí)際現(xiàn)象通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)實(shí)際現(xiàn)象的描述和求解，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際過(guò)程的數(shù)學(xué)再現(xiàn)需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值求解的數(shù)學(xué)模擬物理模擬2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——目錄基本概念1數(shù)學(xué)模型的分類2數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟3數(shù)學(xué)模型的作用與意義4基本概念1數(shù)學(xué)模型的分類2舉例說(shuō)明52025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型的分類數(shù)學(xué)模型研究對(duì)象的認(rèn)識(shí)程度白箱模型黑箱模型灰箱模型又稱機(jī)理模型，根據(jù)物理或化學(xué)的基本原理建立的模型。依據(jù)冶金熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、三傳、應(yīng)變等，建立常微分或偏微分方程（組），相應(yīng)初始條件和邊界條件，進(jìn)行數(shù)值求解。對(duì)內(nèi)部性質(zhì)和過(guò)程完全無(wú)知，只能對(duì)輸入和輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸，是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，主要有人工神?jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、遺傳算法、模糊控制等，主要用于過(guò)程調(diào)節(jié)和控制。以物理和化學(xué)定律為基礎(chǔ)，同時(shí)包含一定的經(jīng)驗(yàn)假定或參數(shù)的模型，又稱半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，冶金過(guò)程復(fù)雜，因素多，且形狀復(fù)雜多變，因此實(shí)際冶金過(guò)程大多屬于這種模型。2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型的分類數(shù)學(xué)模型按過(guò)程狀態(tài)區(qū)分靜態(tài)模型Staticmodel動(dòng)態(tài)模型Dynamicmodel模型參數(shù)在過(guò)程中是否變化。2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型的分類數(shù)學(xué)模型按空間變量與時(shí)間關(guān)系穩(wěn)態(tài)模型Steadymodel非穩(wěn)態(tài)模型Unsteadymodel分布空間各點(diǎn)的過(guò)程參數(shù)隨不隨時(shí)間變化。2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型的分類數(shù)學(xué)模型按變量的確定性與否確定性模型Deterministicmodel非確定性模型Nondeterministicmodel根據(jù)變量是確定性或隨機(jī)性的而定。統(tǒng)計(jì)模型Statistic隨機(jī)模型Stochastic2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——目錄基本概念1數(shù)學(xué)模型的分類2數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟3數(shù)學(xué)模型的作用與意義4基本概念1數(shù)學(xué)模型的分類2舉例說(shuō)明5數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟32025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟初步研究數(shù)學(xué)模型程序?qū)崿F(xiàn)驗(yàn)證？應(yīng)用YesNoAnalysisFormulationSolutionInterpretationVerificationApplication2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟初步研究數(shù)學(xué)模型程序?qū)崿F(xiàn)驗(yàn)證？應(yīng)用YesNo摸排階段。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)提出的問(wèn)題，了解問(wèn)題背景、主次、本質(zhì)、目標(biāo)、建模方法；梳理階段。確定目標(biāo)，限定過(guò)程現(xiàn)象，據(jù)此進(jìn)行參量分析、確定問(wèn)題的參數(shù)、搜集各種必要信息，明確已知量、未知量、自變量、因變量、主要量、次要量，以及這些量之間的關(guān)系和所屬的基礎(chǔ)理論范疇，同時(shí)做出誤差允許范圍內(nèi)的簡(jiǎn)化處理，舍棄一些次要量，便于求解；建模階段。通過(guò)基本過(guò)程描述，進(jìn)行理論依據(jù)的選取，根據(jù)文獻(xiàn)收集，進(jìn)行合適的數(shù)學(xué)模型的比較分析和選取，如果沒(méi)有合適模型，需要自定義模型。2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟數(shù)學(xué)模型初步研究程序?qū)崿F(xiàn)驗(yàn)證？應(yīng)用YesNo關(guān)鍵屬性。數(shù)學(xué)模型是數(shù)值模擬的關(guān)鍵和核心；三個(gè)步驟。數(shù)學(xué)模型的建立可以分成三個(gè)步驟：(a).分解，將復(fù)雜的冶金反應(yīng)過(guò)程分解為流體流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)等基本單元過(guò)程；(b).簡(jiǎn)化，通過(guò)一系列假設(shè)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化原則包括：抓住主要矛盾而不失真實(shí)性，滿足應(yīng)用的精度要求，適應(yīng)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件，以便進(jìn)行模型識(shí)別和參數(shù)估算，適應(yīng)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)能力；(c).推導(dǎo)，基于上述分解和假設(shè)，開(kāi)始對(duì)所有的數(shù)學(xué)表達(dá)進(jìn)行具體推導(dǎo)，構(gòu)建模型的核心方程組，可以是線性、非線性，常微分、偏微分，甚至隱函數(shù)；特殊聲明。分解是簡(jiǎn)化的前提，簡(jiǎn)化使數(shù)學(xué)描述成為可能；參數(shù)估算。兩種方法：實(shí)際測(cè)定+實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合。2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟程序?qū)崿F(xiàn)初步研究數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證？應(yīng)用YesNo前提條件。數(shù)學(xué)模型、初始條件、邊界條件、參數(shù)值確定；數(shù)值求解。工程研究中的大多數(shù)計(jì)算都是計(jì)算機(jī)數(shù)值求解，根據(jù)模型中的方程類型選擇不同的數(shù)值方法；程序?qū)崿F(xiàn)。三種選擇：高級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，如Fortran、TurboC、C++、Basic等，自行編程實(shí)現(xiàn)；利用現(xiàn)成的數(shù)值計(jì)算軟件，如Mathematica、Matlab等，進(jìn)行簡(jiǎn)單編程實(shí)現(xiàn)；采用專業(yè)軟件進(jìn)行求解，如流場(chǎng)計(jì)算采用Fluent、CFD等進(jìn)行計(jì)算，有限元分析采用Ansys進(jìn)行計(jì)算等；“計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)”。一旦模型確定且程序?qū)崿F(xiàn)，這個(gè)創(chuàng)建的模型軟件就是一個(gè)完備的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槠渲兴械膮?shù)都可以隨心所欲地進(jìn)行調(diào)節(jié)（比如將研究對(duì)象溫度從100K升高到2000K，不必?fù)?dān)心對(duì)實(shí)驗(yàn)員的人身安全和實(shí)驗(yàn)資金問(wèn)題），以考察對(duì)結(jié)果的影響，加快進(jìn)度的同時(shí)，節(jié)約人力物力財(cái)力。2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟驗(yàn)證？初步研究數(shù)學(xué)模型程序?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用YesNo重要意義。把模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際反應(yīng)器或模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)際現(xiàn)象的操作結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮侠硇院蛯?shí)用性；操作過(guò)程。如果計(jì)算值與實(shí)際值之間的偏差在要求的精度范圍內(nèi)，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)吻合，模型可以描述所研究的過(guò)程，模型能反映實(shí)際過(guò)程的規(guī)律，檢驗(yàn)結(jié)果是正確的或基本正確的；經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。模型計(jì)算與實(shí)際數(shù)據(jù)存在一定誤差是正常的，但如果存在規(guī)律性偏差或較大誤差，則必須詳細(xì)分析原因，可能的原因包括：

程序錯(cuò)誤、參數(shù)估值不準(zhǔn)確、模型本身問(wèn)題和測(cè)試問(wèn)題，根據(jù)具體原因進(jìn)行相應(yīng)修改，因此建模過(guò)程是一個(gè)“理論、實(shí)踐、再理論、再實(shí)踐……”的循環(huán)過(guò)程。2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟應(yīng)用初步研究數(shù)學(xué)模型程序?qū)崿F(xiàn)驗(yàn)證？YesNo互益性。一方面，利用成熟模型充分發(fā)揮分析、研究、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，另一方面，在實(shí)際應(yīng)用中模型本身也不斷得到客觀公正的檢驗(yàn)，從而得到不斷的改進(jìn)和完善；實(shí)驗(yàn)性。在模型正確的基礎(chǔ)上，可以做進(jìn)一步的“實(shí)驗(yàn)”，改變?cè)蠗l件、設(shè)備參數(shù)、工藝參數(shù)、操作參數(shù)等，進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，通過(guò)比對(duì)計(jì)算結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)所研究的設(shè)備或工藝的優(yōu)化建議、措施和方案；總結(jié)。并非所有的建模過(guò)程都必須嚴(yán)格按照這樣的步驟進(jìn)行，而且每個(gè)步驟之間的界限也不是如此明顯，但養(yǎng)成一個(gè)按部就班的工作習(xí)慣，對(duì)于做研究而言是比較有益的。2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——目錄基本概念1數(shù)學(xué)模型的分類2數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟3數(shù)學(xué)模型的作用與意義4基本概念1數(shù)學(xué)模型的分類2舉例說(shuō)明5數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟3數(shù)學(xué)模型的作用與意義42025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型的作用與意義數(shù)學(xué)模型優(yōu)化人工智能過(guò)程控制規(guī)劃實(shí)驗(yàn)室和中試實(shí)驗(yàn)解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型的作用與意義現(xiàn)有工藝：加深多過(guò)程的基本現(xiàn)象、反應(yīng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)，為改善工藝過(guò)程和操作提供依據(jù)；探索設(shè)備、工藝過(guò)程和操作參數(shù)的變化對(duì)冶金效果的影響和變化規(guī)律及它們之間的定量關(guān)系，為優(yōu)化工藝、改進(jìn)設(shè)備、改善操作提供必要的數(shù)據(jù)和依據(jù)；實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝過(guò)程的診斷和過(guò)程的自動(dòng)控制；指導(dǎo)中試廠和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和規(guī)劃，以節(jié)省開(kāi)支等。新工藝：對(duì)新設(shè)計(jì)工藝的可行性和靈活性做出準(zhǔn)確的估計(jì)；對(duì)規(guī)劃和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室、中試廠或?qū)嵨镆?guī)模的實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)；幫助評(píng)估中試廠或?qū)嵨镌囼?yàn)結(jié)果和進(jìn)行比例放大；在一定條件下，可替代中試廠或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物進(jìn)行開(kāi)發(fā)性試驗(yàn)，以節(jié)省費(fèi)用等。2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型的作用與意義

運(yùn)用數(shù)學(xué)的多少是一門科學(xué)成熟程度的標(biāo)志。馬克思2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——目錄基本概念1數(shù)學(xué)模型的分類2數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟3數(shù)學(xué)模型的作用與意義4基本概念1數(shù)學(xué)模型的分類2舉例說(shuō)明5數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟3數(shù)學(xué)模型的作用與意義4舉例說(shuō)明52025/1/3冶金數(shù)值——緒論——舉例說(shuō)明寶鋼集團(tuán)不銹鋼分公司煉鐵分廠石灰套筒窯的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)模擬2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——舉例說(shuō)明寶鋼集團(tuán)不銹鋼事業(yè)部煉鐵分廠石灰套筒窯的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)模擬2025/1/3*冶金數(shù)值——緒論——舉例說(shuō)明寶鋼集團(tuán)不銹鋼事