炼钢中的计算流体力学PDF电子书下载

1 绪论 1

1.1 热流体流动过程的重要性 1

1.2 研究方法 3

1.2.1 实验研究 3

1.2.2 理论分析 3

1.2.3 数学模拟 3

1.2.4 数学模拟的本质 4

1.3 本书的目的 5

参考文献 5

2 描述热流体流动现象的基本方程 6

2.1 问题的分类及数学表达 6

2.1.1 变量Ｐ 8

2.1.2 变量ΓΦ 8

2.1.3 源项SΦ 8

2.1.4 两相流问题 9

2.2 适定性问题和求解条件 9

2.3 正交曲线坐标系中的基本量 10

2.3.1 一般正交曲线坐标系 10

2.3.2 正交曲线坐标系中的运算子 12

2.4 正交曲线坐标系中的基本方程 15

2.4.1 连续性方程 15

2.4.2 运动方程 15

2.4.3 能量方程 16

2.5 正交曲线坐标系下规范型流动方程 17

2.5.1 规范型连续性方程 17

2.5.2 Naiver-Stokes方程 17

2.5.3 k-ε双方程湍流模型 20

2.5.4 温度场的数学描述 21

2.5.5 浓度场的数学描述 21

参考文献 22

3 湍流模型理论 23

3.1 引言 23

3.2 模拟的原则 24

3.3 雷诺应力模型(微分模型，RSM) 25

3.3.1 雷诺应力方程与K方程的模型 25

3.3.2 ε方程的模型 31

3.3.3 ?方程的模型 35

3.4 代数应力的模型(ｋ-ε-A模型，ASM) 37

3.5 二方程模型涡粘性模型，K-ε-E 39

3.5.1 Jones (Launder(1972)模型) 40

3.5.2 RNGk-ε湍流模型 41

3.6 一方程模型(k方程模型) 42

3.7 双尺度二阶湍流模型 42

3.8 湍流模型评价 44

参考文献 45

4 区域离散化及建立离散方程的方法 46

4.1 热流体流动现象控制方程的守恒性质 46

4.2 空间区域的离散化方法 48

4.3 泰勒(Taylor)级数展开及多项式拟合法 52

4.4 控制容积积分法及平衡法 59

4.5 差分方程的相容性、收敛性及稳定性 63

4.6 离散方程的守恒特性 68

参考文献 69

5 对流-扩散方程的差分格式 70

5.1 中心差分与迎风差分 70

5.2 混合格式与乘方格式 76

5.3 五种三点格式系数特性的分析 81

5.4 二阶迎风格式与QUICK(奎克)格式 87

5.5 正交曲线坐标系下三维对流-扩散差分方程的推导 92

5.5.1 控制方程的积分形式 92

5.5.2 控制方程的差分形式 93

参考文献 97

6 求解热流体流动问题的压力修正法 98

6.1 流场控制方程及数值求解中的困难 98

6.2 交错网格及动量方程的离散 103

6.3 求解Navier-Stokes方程的压力修正算法 107

6.4 SIMPLE算法的计算步骤 111

6.5 SIMPLE算法的讨论 112

6.6 SIMPLE算法的发展与改进 118

6.6.1 SIMPLER算法 118

6.6.2 SIMPLEST算法 120

6.6.3 SIMPLEC算法 121

6.6.4 SIMPLE的戴特(Date)修正方案 122

6.7 边界条件 125

6.7.1 壁面速度边界条件 125

6.7.2 壁面函数 125

6.7.3 其他标量的边界条件 127

6.7.4 流动边界 128

6.8 求解代数方程的迭代法 129

6.8.1 TDMA算法 129

6.8.2 点迭代法 131

6.8.3 块迭代法 133

6.8.4 交替方向块迭代法 134

6.8.5 加速迭代解法收敛速度的块修正技术 135

参考文献 138

7 求解热流体流动问题的其他方法 139

7.1 强制对流的涡量-流函数法 139

7.2 涡量-流函数法边界条件的确定 143

7.2.1 入口边界 143

7.2.2 中心线上 144

7.2.3 固体边界 144

7.2.4 出口边界 146

7.2.5 尖角点上的ω值 147

7.3 自然对流换热过程的涡量-流函数法计算 148

7.3.1 数学模型 148

7.4 自由边界流体流动的处理方法 152

参考文献 161

8 复杂几何装置的处理方法 162

8.1 阶梯网格法 162

8.2 利用阶梯网格法处理电弧炉熔池倾斜壁 163

8.2.1 数学模型 164

8.2.2 计算方法 165

8.2.3 物理模型 165

8.2.4 结果与讨论 166

8.3 保角变换法 170

8.3.1 保角变换的基本概念 170

8.3.2 单位圆中心点变换到任意圆的偏心点 172

8.4 适体坐标的网格生成 174

8.4.1 微分方程法生成适体坐标原理 175

8.4.2 控制方程向计算平面转换的基本关系式 176

8.4.3 控制方程的离散及求解 178

8.4.4 采用偏微分方程法进行网格坐标变换的实例 180

8.5 计算平面上的SIMPLE算法 181

8.5.1 控制方程的离散 182

8.5.2 计算平面的SIMPLE算法 184

8.6 利用适体坐标网格计算底吹钢包内钢液流场 187

8.7 空度技术在模拟复杂几何装置内流动现象的应用 192

8.7.1 空度的概念 192

8.7.2 实施方法 193

8.7.3 算例 194

参考文献 200

9 电磁流体力学在连铸中的应用 201

9.1 电磁力的作用 202

9.2 连铸结晶器电磁制动过程的数学模型 203

9.2.1 磁场的计算 204

9.2.2 流场的计算 206

9.2.3 电磁力的计算 206

9.2.4 边界条件及算法 207

9.2.5 冲击强度的确定 207

9.3 区域制动时结晶器内流场模拟 208

9.4 电磁制动法缩短钢坯过渡段的数值模拟 210

9.5 双区制动对板坯连铸结晶器流场的影响 214

9.6 薄板坯连铸结晶器内钢液流场电磁制动的模拟研究 219

9.6.1 数学模型 219

9.6.2 物理模型实验 221

9.6.3 数值模拟结果 222

参考文献 226

10 多相流动的数值模拟 228

10.1 多流体模型 229

10.2 底吹钢包内气液两相流的数值模拟 232

10.2.1 气液两相流数学模型 232

10.2.2 初始条件和边界条件 236

10.2.3 数值计算步骤 239

10.2.4 结果与讨论 239

10.3 均相流模型 246

10.4 粒子在流体中的运动 250

10.4.1 粒子运动轨迹方程 250

10.4.2 铁锰合金颗粒在底吹钢包内的运动分析 251

10.4.3 双区制动情况下板坯连铸结晶器内夹杂物运动的轨迹 254

参考文献 256

11 计算流体力学在炼钢中的应用和发展 258

11.1 引言 258

11.2 计算流体力学应用于炼钢中所面临的问题 259

11.2.1 边界条件 260

11.2.2 模拟软件 262

11.2.3 材料的物性数据 262

11.3 计算流体力学在炼钢中的应用和发展概况 263

11.3.1 钢包精炼过程数学模拟 263

11.3.2 连铸结晶器过程数学模拟 265

11.4 计算流体力学的作用 266

11.5 结束语 267

参考文献 268