炼钢中的计算流体力学
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作者李宝宽,刘中秋 著
出版社冶金工业出版社
ISBN9787502472658
出版时间2016-09
装帧平装
开本16开
定价58元
货号1201411975
上书时间2024-06-08
商品详情
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作者简介
李宝宽，1963年生，辽宁辽阳人。教授，博士生导师。1992年毕业于东北工学院（现东北大学），获博士学位。1998~2000年于日本东京大学做博士后研究，2006~2007年于美国普渡大学做访问学者。美国钢铁学会(AIST)、日本铁钢学会(ISIJ)、TMS会员。辽宁省百千万人才工程百人层次。湖北省楚天学者特聘教授。主要研究方向：金属精炼与连铸工艺中热物理过程及模型化，能源与环境工程中热物理过程及模型化。主持了国家高技术研究发展计划、国家自然科学基金（面上、重点、靠前合作）等10余个项目。其中包括重大地区靠前交流项目“双合金汽轮机转子电渣重熔接续制备的科学基础”，国家自然科学基金重点项目“核电用大型钢锭电渣重熔技术的基础研究”，国家高技术研究发展计划（863计划）项目“利用电磁搅拌改善电渣重熔模具钢组织结构的研究”等；并参与了国家重大科技专项“大型电渣重熔炉设备”等多项国家重点项目。承担了多个横向课题。
目录
1绪论
1.1钢液的流动现象及冶金功能
1.1.1钢包精炼
1.1.2中间包冶金
1.1.3结晶器冶金
1.2流体流动的研究方法
1.3计算流体力学在炼钢中的应用概述
1.3.1钢包精炼过程数值模拟
1.3.2中间包冶金过程数值模拟
1.3.3结晶器冶金过程数值模拟
参考文献
2炼钢中的流体流动现象及模型化
2.1CFD基本控制方程
2.1.1连续性方程
2.1.2动量方程
2.1.3能量方程
2.1.4湍流附加方程
2.1.5初始条件及边界条件
2.2单相流动
2.2.1RANS控制方程
2.2.2LES控制方程
2.3多相流动
2.3.1离散相模型
2.3.2VOF模型
2.3.3双流体模型
2.4相变流动
2.4.1钢液运动方程
2.4.2凝固过程能量方程
2.5电磁场
2.5.1磁场的计算
2.5.2流场的计算
2.5.3电磁力的计算
参考文献
3炼钢中的湍流模型
3.1湍流数值模拟方法
3.2直接数值模拟
3.3雷诺时均模拟
3.3.1标准k—ε模型
3.3.2RNGk—ε模型
3.3.3标准k—ω模型
3.3.4SSTk—ω模型
3.3.5雷诺压力模型
3.3.6模型的缺陷
3.4大涡模拟
3.4.1基本思想
3.4.2滤波
3.4.3大涡模拟控制方程
3.4.4亚格子模型
参考文献
4计算流体力学的数值方法
4.1常用的数值求解方法
4.1.1有限差分法
4.1.2有限体积法
4.1.3有限元法
4.2计算区域的划分
4.3对流—扩散方程的离散格式
4.3.1中心差分和迎风差分
4.3.2混合格式、指数格式及乘方格式
4.3.3二阶迎风格式
4.3.4QUICK格式
4.3.5不同离散格式的对比
4.4压力修正法
4.4.1基本思想
4.4.2SIMPLE算法
4.4.3修订的SIMPLE算法
4.4.4COUPLED算法
4.4.5不同压力修正法的对比
4.5代数方程的数值解法
4.5.1直接方法
4.5.2迭代方法
4.5.3加速技术
参考文献
5钢包内钢—渣—气三相流动
5.1钢—渣—气三相流动的数学建模
5.1.1基本假设
5.1.2控制方程
5.1.3模型建立及网格化
5.1.4边界条件
5.2钢包内钢液流动的基本特征
5.3钢包内钢液流动行为的控制
5.3.1氩气流量的控制
5.3.2喷嘴位置对钢包内钢液流动的影响
5.3.3喷嘴角度对钢包内钢液流动的影响
5.4大涡模拟在钢包中的应用
5.4.1数学模型
5.4.2气泡合并行为及粒径分布
5.4.3非稳态渣—金界面行为
5.4.4剪切流及卷渣现象
参考文献
6感应加热中间包内的流动及夹杂物运动
6.1磁／热／流耦合模型的建立
6.1.1基本假设
6.1.2电磁场
6.1.3流体流动
6.1.4传热过程
6.1.5模型建立及网格化
6.1.6边界条件
6.2磁流体流动与传热耦合数值分析
6.2.1模型验证
6.2.2电磁场分布
6.2.3钢液的流动情况
6.2.4钢液温度分布
6.2.5示踪剂浓度分布
6.3夹杂物运动
6.3.1物理模型及网格
6.3.2夹杂物运动的数学模型
6.3.3结果与分析
参考文献
7结晶器内钢液瞬态非对称流动的大涡模拟
7.1大涡模拟数学模型
7.1.1基本方程
7.1.2模型建立及网格化
7.1.3数值细节
7.2模型的验证
7.3瞬态流场结构
7.4偏流流场及周期性分析
7.5漩涡结构及产生机理
参考文献
8结晶器凝固前沿氩气泡和夹杂物的瞬态运动
8.1凝固过程数学模型
8.1.1连续介质大涡模拟运动方程
8.1.2凝固过程能量方程
8.1.3数值细节
8.2颗粒传输与捕捉模型
8.2.1颗粒传输模型
8.2.2颗粒动态捕捉模型
8.3模型的验证
8.4凝固坯壳内的瞬态流场
8.5氩气泡和夹杂物的瞬态运动及统计
8.5.1瞬态运动分布
8.5.2捕捉统计
参考文献
9氩气一钢液两相瞬态非对称流动的大涡模拟
9.1Euler—Euler—LES模型
9.1.1Euler—Euler双流体模型
9.1.2LES模型
9.1.3气泡诱导湍流
9.1.4相间作用力模型
9.1.5数值细节
9.2模型的验证
9.3氩气—钢液两相瞬态流动结果与分析
9.3.1瞬时含气率分布
9.3.2两相瞬态流场结构
9.3.3两相偏流流场
9.3.4上表面裸露点
9.4拉速对两相流动的影响
9.5吹气量对两相流动的影响
参考文献
10结晶器内多尺寸泡状流的人口平衡模型
10.1多组群质量传递模型数学建模
10.1.1双流体MUSIG模型
10.1.2气泡的破碎率
10.1.3气泡的聚并率
10.1.4模型的封闭
10.1.5数值细节
10.2气泡粒径对气液两相流动的影响
10.2.1含气率分布
10.2.2钢液流型
10.3数值方法的考核
10.3.1网格独立性考核
10.3.2弥散相子气泡组考核
10.4多尺寸泡状流预测结果与分析
10.4.1含气率分布
10.4.2流场分布
10.4.3Sauter平均粒径分布
参考文献
11气液两相流相间动量传递模型数值研究
11.1非均相MUSIG模型的建立
11.1.1非均相双流体MUSIG模型
11.1.2封闭的相间动量传递模型
11.1.3数值细节
11.2湍流传递机制数值研究
11.3相间作用力机制数值研究
11.3.1曳力
11.3.2侧升力
11.3.3虚拟质量力
11.3.4湍流离散力
11.3.5壁面润滑力
11.4实际氩气泡粒径的预测
11.5问题与展望
参考文献
索引
内容摘要
本书可分为三大部分，即流动理论、数值方法和应用技术。前三章介绍了炼钢中的流体流动现象、模型化及湍流计算方法。第四章介绍了炼钢中计算流体力学的数值方法。第五至第九章介绍了计算流体力学方法在模拟炼钢中传输现象的应用技术，包括多相流动模拟；流动、电磁、温度多物理场耦合模拟；优选湍流模拟方法的应用及人口平衡模型在炼钢过程中的应用等。
精彩内容
钢的冶炼是在熔融状态下进行的，故钢液的流动现象具有特别重要的意义。钢液是高温熔体，在其流动的同时也伴随着热量的传递，故可称钢液为“热流体”。普通流体力学的研究方法可以用于研究热流体流动现象，数值计算方法是可利用的最重要的方法之一。炼钢中的热流体流动现象又具有不同于普通流体力学的特点。因而，如何利用普通流体力学的计算方法模拟炼钢中的热流体流动现象是本书的特色。
冶金学在经历了热力学、动力学和反应工程学阶段后，现已发展到过程模拟阶段，即对冶炼的全过程进行直接模拟阶段。过程模拟是目前世界范围内冶金学界最活跃的研究领域之一。建立数学模型是进行过程模拟的前提，因流体流动过程往往是制约钢的冶炼效率提高的“瓶颈”，故描述流动过程的模型是构成全过程模型的基础，而且全过程模型方程的求解方法也是以流动方程为核心而展开的。要正确地模拟炼钢过程中的复杂现象，不但要深刻了解现象的物理本质，而且还要掌握数值计算方法，通晓计算机技术。
随着计算流体力学在炼钢领域中的快速发展，已有大量数值模拟方面的研究论文发表，但还没有一本系统介绍现代炼钢中计算流体力学方面的书，涉及从流动理论、数值方法到应用技术等各个方面。著者及其课题组长期从事炼钢领域计算流体力学研究，我们将课题组多年来的研究成果系统化，并结合国内外专家学者在该领域的最新研究成果，撰写成本书，希望其能够促进我国炼钢工艺理论的发展和创新。
本书共十一章。可分为三大部分，即流动理论、数值方法和应用研究结果。前三章介绍了炼钢中的流体流动现象、模型化及湍流计算方法。第四章介绍了炼钢中计算流体力学的数值方法。第五至第十一章介绍了计算流体力学方法在模拟炼钢中传输现象的应用研究结果，包括多相流动模拟；流动、电磁、温度多物理场耦合模拟；先进湍流模拟方法的应用及人口平衡模型在炼钢过程中的应用等。
李宝宽教授进行全书的整体构思和统稿工作。书中给出的应用研究结果都是由李宝宽教授课题组完成的；其中连铸大涡模拟部分是刘中秋博士完成的，钢包精炼结果是由博士生李林敏完成的，中间包感应加热的研究是由博士生王强完成的。而且这些研究结果都在本课题组发表的国内外杂志论文中有所体现。特别感谢王国栋院士在百忙之中亲自为本书撰写了序，体现了他对炼钢中计算流体力学研究的重视和支持，在此表示衷心的感谢。
由于编者水平有限，文中疏漏、欠妥之处在所难免，敬请读者批评指正。
最后，本书作者感谢国家科学技术学术著作出版基金的资助。
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