基于格子玻尔兹曼的结晶器钢液流动计算方法

发布时间：2025-05-14 23:41

　　连铸过程中,结晶器内的流场分布决定着初生凝壳生长、保护渣熔化、夹杂物上浮等冶金传输行为,研究考察结晶器内的流动与传输特点,对于连铸坯质量控制具有重要意义。由格子气自动机(Lattice Gas Automation,LGA)发展而来的格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)是一种介观尺度的模拟方法,兼具宏观尺度连续模型和微观尺度分子动力学的优点,同时具有程序简单、边界条件施加方便和易于并行化等优势,在微观和介观尺度流动问题的模拟研究中得到了广泛应用,但目前将LBM应用于连铸领域的研究仍不多见。本文旨在开发基于LBM的结晶器内流动行为数值计算方法,尝试构建结晶器内流动过程的LBM计算模型,开发专用数值计算程序,对LBM计算连铸钢液流动行为的适用性和可行性进行探讨。首先,解析和推导了格子玻尔兹曼方程的建立过程,阐述常见LBM模型与边界条件的处理方法,选择并确定了DDF-LBE计算模型对流动过程建模,编制和开发相应的计算程序,对顶盖驱动流、泊肃叶流两个经典的流动算例进行计算,获得流动与温度的分布特征并与已有研究结果进行对比,以验证模型与计算程序的正确性。以此...

【文章页数】：71 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 结晶器内的传输行为
        1.1.1 结晶器内的钢液流动
        1.1.2 结晶器内的传热过程
        1.1.3 流动对连铸坯质量的影响
    1.2 流动计算方法概述
    1.3 格子玻尔兹曼方法
        1.3.1 格子玻尔兹曼方法概述
        1.3.2 国内外研究现状
        1.3.3 格子玻尔兹曼方法在连铸领域的应用
    1.4 本文研究内容
2 格子玻尔兹曼方法的理论基础
    2.1 格子玻尔兹曼方法的统计原理
        2.1.1 玻尔兹曼方程
        2.1.2 麦克斯韦-玻尔兹曼分布
        2.1.3 BGK近似
    2.2 玻尔兹曼方程的离散化
        2.2.1 格子玻尔兹曼方程
        2.2.2 格子玻尔兹曼方法的基本模型
        2.2.3 从格子玻尔兹曼模型还原N-S方程
    2.3 格子玻尔兹曼方法边界条件
        2.3.1 启发式格式
        2.3.2 动力学格式
        2.3.3 外推格式
    2.4 本章小结
3 基于LBM的结晶器流动模型构建与算例验证
    3.1 问题描述及控制方程
        3.1.1 结晶器钢液流动物理模型
        3.1.2 DDF-LBE模型求解流动问题
        3.1.3 格子玻尔兹曼算法及计算流程
    3.2 相似原理
        3.2.1 相似准数的确定
        3.2.2 计算参数的无量纲化
    3.3 模型算例计算与验证
        3.3.1 顶盖驱动流模型
        3.3.2 泊肃叶流模型
    3.4 本章小结
4 基于LBM的方坯结晶器钢液流场模拟及结果讨论
    4.1 结晶器参数及工艺条件
    4.2 不同雷诺数对钢液流场的影响
    4.3 钢液流场分布的基本特征
    4.4 拉速对钢液流动的影响
        4.4.1 流场与速度矢量分布
        4.4.2 冲击深度
    4.5 水口浸入深度对钢液流动的影响
        4.5.1 主回流区与冲击深度
        4.5.2 上回流区与液面波动
    4.6 铸坯断面尺寸对钢液流动的影响
        4.6.1 流场与速度矢量分布
        4.6.2 涡心位置与冲击深度
    4.7 本章小结
结论
参考文献
致谢



本文编号：4045912