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1、武汉科技大学本科毕业设计外文翻译1 干熄焦炉内焦炭下降运动的实验和模拟 研究摘要建立了一个基于 Navier - Stokes方程的一个粘性流模型以描述在一个75t/h （按1/7 比例）缩小的实验干熄焦炉内的焦炭下降行为。结果发现，由于焦炭粘性，内部磨擦对炉下部的焦炭下降现象影响显著，而与外墙的摩擦主导着炉内焦炭的缓慢流动。人们对沿炉壁（根据普通炉壁应力） 流动的颗粒混合物提出了一个渐近的摩擦系数表达式，并为描述焦炭料之间的内部摩擦，引入块状固体粘度概念。通过本模型得出的结果与势流和无摩擦的运动学模型得出的结果进行了比较。粘性流模型较好的模拟了焦炭流动因为引入了摩擦作用。2007年爱思唯尔保
2、留所有权利。关键词：干熄焦，焦炭降，粘性流模型; 摩擦系数 ; 焦炭粘度1. 引言由于有着诸如节能，减少污染和提高质量的诸多优势；干熄焦（CDQ ）技术被认为是目前能较大节省焦炭种植能源的技术1。在干熄焦过程中， 焦在熄焦冷却炉中从顶部向底部流动，下降速度和焦炭分配将极大地影响生产能力和淬火焦炭质量。显然，了解焦炭下降行为的基本原理对提高焦炭的质量非常重要且对于大规模的干熄焦系统的设计和操作很有价值。拉格朗日方法和欧拉方法都可以用来模拟固体流。拉格朗日方法侧重于单个粒子的运动，并有助于找出固体流动机制，广泛应用于两维和三维颗粒流的料斗2。然而，由于电脑的计算能力有限，由拉格朗日方法处理粒子数也
3、非常有限。另一种方法，欧拉方法，是将其视为连续的，即半固体颗粒的液体。在流体力学的基础上，几个模型已经经考虑地提出来描述固体流。该插件流动模型3（假定固体以相同速度下降）过于简单地获得与比如干熄焦冷却炉复杂的配置仪器可靠的结果。另二个流行模型是势流模型和运动模型。势流模型4认为固体流即无旋运动势流。 该运动学模型只涉及一个实验常量，因此它仅限于简单几何仪器固体流的预测5。最近，一个将固流近似为不断的粘性流体流动的数学模型被开发出来，这被称为“粘性流”模型6。固体粘度的概念的引入来描述粒子之间的摩擦。毫无疑问固体粒子间和粒子与墙壁间的相互作用很大程度的影响了块状固体流量及摩擦和固体流量分布隔离的
4、核算。然而，这种复杂的相互作用产生源于不少领域，甚至是微观领域，由于它与块状固体流几乎没有实质性联系，所以很难用物理的和数学的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - 武汉科技大学本科毕业设计外文翻译2 方法来予以描述。为了描述块状固体流，我们用到了固体摩擦的几个简单的表达，例如Pioseuille的定律6。或用 Fanning 的直管层流方程来计算摩擦系数Cf, 即2Re16222VVCffw= (1) 雷诺数定义为s
5、VD=Re；s块状固体动力粘度用来描述粒子间摩擦，单位Pa s；V是块状焦炭速度，单位 m/s；D 是炉的特征直径，单位 m 。本次实验中， 在实际七分之一大小的三维冷却模拟中，实验观察到了焦炭下降运动。因此，块状焦炭流模拟的粘性流模型根据一个渐近墙摩擦表达式作了修改。我们把预测的势流和无摩擦运动模型的结果和数值结果作了比较。并且在焦炭下降过程中，特别注意了固体与外墙间摩擦产生的内耗的影响。2. 实验实验所采用的设备是以熄焦能力为75t/h 的干熄焦炉为原型，缩小七分之一后制作的半周模型，如图示 .1 。图.1. 实验装置干熄焦冷却炉实验中我们将一些焦炭颗粒染成不同的颜色来作为过示踪剂。首先，
6、炉前室自上而上填满了焦炭颗粒，顶部表面的全部负重保证了其密而平整。然后在顶部负重的表面形成一层彩色示踪剂。接下来，一旦焦炭负重通过底部锥体部分被解除，焦炭会不断积累在炉顶部。与此同时数码相机及时拍下焦炭负重示踪剂的减弱。由于在焦炭下降过程中，通过炉的流动气体的影响可忽略不计7，实验仪器中没气体的引入。 焦炭颗粒当量直径（Pd）为0.0194m，包装密度（ ）为573.97kg/m3，孔隙度（）为0.465。实验后，拍摄过程中会每十秒拍一幅图像。最后，所有图片被集中起来从而显现出名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师
7、精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - 武汉科技大学本科毕业设计外文翻译3 示踪剂的时间线，如图所示.2 。（a) 焦炭降的图片组成 (b)焦炭降时间线图.2. 焦炭下降运动实验结果实验结果显示，冷却炉中的焦炭是层流，不同焦炭层间并没有发生混合现象。在炉上部，块状焦下降几乎致，且由于重力的作用超过墙壁摩擦，时间线是平滑的。在炉较低的地方，随着正常壁压力的增大，管壁摩擦增加，甚至超过重力，所以近壁焦炭流变得逐渐缓慢。随后，滞后的传播至焦炭，让远离墙的焦炭通过焦炭粒子间的内部摩擦。因此，时间线是沿炉轴弯曲的，且由于爆炸上限和炉壁对焦炭的阻
8、力，使其靠近墙壁，这也解释了为什么高的时间线要比低的时间线平滑。很明显，在焦炭下降运动中，焦炭粒子间的内部摩擦和焦炭与墙之间的外部摩擦都发挥着重要作用。为了揭示大容量焦炭流动物理力学，必需对这些摩擦进行研究，预计将为大量焦炭流的进一步数据研究提供合适的摩擦的表达式。3. 炉壁摩擦在本节中，壁摩擦系数追求逻辑，为了目的性的获得炉壁摩擦表达式，而最终用只有几个基本参数的简单形式并进一步结合正常炉壁应力。3.1 炉壁摩擦系数粒子的炉壁摩擦系数可描述为所需移动接触区域的比例，该接触区域为一个应用载荷时，颗粒与接触面（炉壁）之间8。大部分接触炉壁的混合颗粒的摩擦系数取决于颗粒材料和包装的的几何类型。由于
9、大颗粒造成的空隙间拟合着一些较小的颗粒，因此干熄焦实验炉中的焦炭近似一个二元混合物。高负载时，二元颗粒混合物炉壁摩擦系数仍然相当接近 8，9 ：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - 武汉科技大学本科毕业设计外文翻译4 +=3/1wwk（2）公式里的w表示炉壁摩擦系数；w表示炉壁的常应力，单位N/m2；表示常压力系数，这是一个经验性的物质属性。k是系数取决于材料的性质和几何包装。 （N/m2）1/3，并表示为( )(
10、)()3/23/23/23/13/20+=cfccffNNRNRNADk（3）这里0是内在的界面剪应力； A是总的有效的接触面积；赫兹常D=43222121_1+_1EE 。和E是泊松比和弹性固体的接触杨氏模量，标1和标2指各自在一个外部负载下， 两弹性润滑接触球的自身半径。 R指一个粒子的半径； N 指与炉壁接触的粒子的数目；标C 代表粗颗粒，标 F代表细颗粒。对于特定的颗粒混合物和几何包装，和k都为常数。如果w足够大，就不可避免的要用到摩擦系数方法。由于上述大型干熄焦炉壁系数实验没能提供焦炭与干熄焦炉间摩擦的详细数据，玻璃ballotini二元混合物炉壁摩擦系数被提出8，而且为了分析， 我
11、们有意的改变了 k和a值。3.2 炉壁常应力当履行到相应位置，斗开始衔接，就会出现峰值；如图.3 。正应力峰值， P0（N/m2） ，由10决定gHP= (4) 其中H （m ） 是指负重顶面到漏斗位置的高度差。 炉壁的常应力在垂直于负重顶面h(m)的地方，即0PHhPw= (5) 结合（ 2）和（ 5）可以得到干熄焦炉壁二元焦炭混合物摩擦力为()PHhkPHhPfww+)(=?=3/100 (6) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - -
12、 - - - - - 武汉科技大学本科毕业设计外文翻译5 图.3. 漏斗壁常压作用下的原理图4. 粘性流模型描述焦炭下降运动的物理模型如图4所示， 其中实验装置被简化为一个二维瞬态轴对称系统。进一步的数学模型假设如下：（1） 焦炭充电过程的影响忽略不计。（2） 焦炭下降运动被认为是一种连续的流程，它满足连续假设11。（3） 焦炭流为层流。通过进一步假定为粘性流体流动和引进焦炭块状固体粘度来描述固体颗粒之间的摩擦，进一步的操作方程为连续方程：0)(1=?+?zrrur (7) 动量：Szzrrrrzrurrss+?+?=?+?)()(1)()(1（8）其中是一般变量，代表u和， 单位为m/s；
13、u和是速度在 r和z方向的分量，分别是 m/s； 是焦炭密度，单位 kg/m3；s是块状焦炭动力粘度，单位Pa s；S源项，P是负荷压力， 单位N/m2；g是重力加速度， g=9.8m/m2；wf是焦炭与冷却炉壁的摩擦强度，N/m2，由方程（ 6）算得。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - 武汉科技大学本科毕业设计外文翻译6 图.4. 冷却炉物理模型临界条件如下：炉底 z=0, r0r rwall=outs, u=0
14、 (9) 爆炸上限0zHcap, 0 rr0 01=?nV(10)对称轴HcapzH, r=0 0=?ru, 0=?r (11) 炉壁的权0zH,r=rwall02=?nV (12) 炉顶z=H, r0r rwall ins,=, u=0 (13) 因为此处炉壁和表面爆炸帽，我们考虑到了滑动的临界条件。r0为r 方向左边的边界位置，单位m ；rwall是r 方向炉壁的位置， 单位m ；Hcap即爆炸帽高， 单位 m ；H是焦炭床高，单位m ；ins,和outs,是焦炭充放电速度， 单位分别都是 m/s；是焦炭速度向量， 单位m/s；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - -
15、- - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - 武汉科技大学本科毕业设计外文翻译7 n1和n2分别是左边界和右炉壁的表面法线方向。5. 计算结果和讨论数学模型解决方法被要求用Fortran 语言编程，且结果用 Matlab 软件可视化。离散控制方程的交错网格 , 对元,pressure-velocity通过耦合实现了简便算法。焦炭颗粒粘度us，借鉴高炉12资料，赋值为 5Pa s。针对研究炉壁摩擦在焦炭下降中的影响，各炉壁的摩擦系数都作了模拟。计算结果如图.5 。在没有炉壁摩擦的理想条件
16、下，如w=0（如图 5a） ，无阻力的靠近炉壁的焦炭在重力的作用下下降速度比沿炉轴粘的还要快，因为后者的做法在较低的爆炸上限，预计与实验结果偏差较大。一些壁摩擦的条件如图所示。 5b 及c。仿真结果与实验较好观测。在炉上部，焦炭下降时间线非常平稳，这表明这里的摩擦忽略是合理的。在较低的地方，由于壁和爆炸上限对焦炭（a)0=w (b) 15.0+15.0=3/1ww (c)28.0+12.0=3/1ww图.5. 根据粘性流模型不同壁摩擦系数获得的数字时间线的阻碍，近壁焦炭和沿炉轴线和焦炭明显流动缓慢。局部，墙壁对焦炭的阻力甚至比爆炸对焦炭的阻力还大。结果表明，外墙摩擦导致了焦炭在炉内的缓慢流动。
17、此外，基数k=0.15及=0.15是试探性的焦炭和炉壁间渐近摩擦系数的计算，有必要通过进一步的实验验证。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - 武汉科技大学本科毕业设计外文翻译8 6. 与其它模型的比较图6中，我们把粘性流模型和通过Pioseuille定律得出的焦炭与炉壁间的摩擦的实验数据的计算结果（a）粘性流模型（b）势流模型（c) 运动学模型图.6. 粘性流，势流和运动学模型模拟结果比较计算结果，即方程（ 1） ，
18、与热流 4和无摩擦的运动学模型5作了比较。由于描述如此复杂几何形状块状固体流的基本考虑因素太过简单，运动学模型不能物理性的描述干熄焦冷却炉中的焦炭流。当重要的物理摩擦考虑进来，粘性流动模型模拟消费结构和实验数据是吻合的。在炉的上部，与重力相比，摩擦的影响被忽略是符合逻辑的，这表明在上部焦炭流几乎依赖与焦炭粘度，这样的粘性流模型的结果相当接近潜热流模型。在炉的下部，在模拟时必需把焦炭颗粒与炉壁间的摩擦考虑进来，正如粘性流模型的一样，尽管粘性流模型的模拟消费结果与实验数据只偏离了一点点，这主要是由于模拟过程中简单的认为外壁的摩擦是一致的。通过图 5b及c与图6a的比较结果， 我们可以发现， 考虑到
19、正常壁应力影响的拟议的渐近表达式比 Pioseuille定律来描述的焦炭与炉壁间摩擦的表达式更合适，而且使焦炭下降运动的仿真模拟得到了改善。7. 结论建立一个 75t/h 的1/7 比例缩小的干熄炉实验装置以可视化焦炭下降运动。结果显示，焦炭颗粒间的内部摩擦与焦炭与炉壁间的外部摩擦在焦炭下降运动中都扮演着重要角色。在炉的上部， 重力比摩擦重要， 因此块状焦炭下降的是均匀的，且时间线是平滑的。在下部，随着壁应力的增加，壁摩擦也增大，甚至超过了重力，因此靠近墙壁的焦炭流名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 -
20、 - - - - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - 武汉科技大学本科毕业设计外文翻译9 动变得越来越慢。随后，通过焦炭颗粒的内部摩擦，滞后蔓延到远离墙壁的焦炭。在实验观察和分析的基础上，开发出一个以连续的块状焦炭为对象的粘性流模型，用来描述焦炭下降运动。引入固体粘度来描述了焦炭间的内部摩擦，同时提出了一个基于渐近摩擦系数的外部壁摩擦表达式。此外，为焦炭与炉壁间的摩擦系数的渐近表达式给出了初步参数。通过粘性流模型数据结果和势流、无摩擦的运动学模型对比，发现在干熄焦炉中的焦炭流动模拟必需要考虑焦炭颗粒与墙壁的摩擦，特别是炉的下部。显然，粘性流模型是最适合来描述块状焦炭流的模型。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - 武汉科技大学本科毕业设计外文翻译10 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -