夏建芳，劉 寒，王瀟杰
（中南大學機電工程學院，湖南長沙 410083）
【摘 要】 環式冷卻機是燒結礦料的重要冷卻設備，其設計理論均基于 20世紀 80年代日本以臺車高度 1.5 m的實驗研究結果，導致系列產品所有臺車高度均為1.5 m，且難以預測燒結礦物性參數偏離實驗工況下的環冷機真實冷卻效果。作者在研究燒結礦風冷熱交換機理和等效仿真模型基礎上，應用 VB.NET語言，基于CFD平臺，開發了環式鼓風冷卻機燒結礦冷卻過程自動仿真軟件。該軟件具備環冷機幾何參數、燒結礦物性參數、燒結礦初始溫度、風機風量等友好參數輸入界面，自動仿真燒結礦溫度、排出煙氣溫度隨時間的變化曲線并以數據文件和圖像顯示。測試結果與仿真結果對比表明，燒結礦冷卻過程仿真結果與實測結果誤差在5%以內，滿足工程精度要求，可以預測燒結礦冷卻效果、指導環式冷卻機的產品設計。
【關鍵詞】 環式冷卻機；數值模擬；仿真軟件；CFD軟件；VB.NET
引言
鋼鐵冶煉是一個高能耗、高污染的產業，據調查，在鋼鐵冶煉的過程中，燒結礦冷卻工序能耗約占企業總能耗的10%~15%，是僅次于煉鐵的第二大耗能工序[1-2]。環式冷卻機（以下簡稱環冷機）是燒結礦冷卻工序中的關鍵設備，其結構圖如下圖 1 所示，隨著我國鋼鐵行業節能減排要求的越來越高，如何增大環冷機產量，提高能源利用率成為了迫在眉睫的問題[3-4] 。調研發現，制約我國環冷機設備發展的主要問題是目前國內環冷機的設計，都是參照上世紀八十年代日本基于臺車高度1.5 m的測試數據及統計公式。正是因為如此，環冷機在設計的過程中，很多關鍵參數無法改變，比如，我國的環冷機不論尺寸大小，其臺車高度都統一為 1.5m，導致現在只能通過增大環冷機截面積的方式來增大產量，造成環冷機安裝場地需求越來越高。不僅如此，環冷機設計人員在設計完成之后也無法準確的預測環冷機的冷卻效果。由此可知，傳統的環冷機設計方法，已經無法適應現代的鋼鐵行業需求。
針對環冷機，國內外學者進行了一系列的研究。在結構改進方面張忠波等[5]基于燒結機結構開發新型高效燒結環冷機，很大程度上降低設備漏風率，提升能源利用率；在冷卻效率方面夏建芳等[6]提出冷卻能耗測試與計算方法，評價了多臺套燒結機、環冷機的實際能耗。在數值模擬方面，Caputo[7]在評估環冷機燒結礦冷卻床的換熱時，提出了一維穩態數學模型；Pelagagge[8-9]等人提出了環冷機二維換熱模型，并通過實測燒結礦的數據進行了驗證。
Jang[10]等提出了環冷機三維換熱簡易模型，用于模擬環冷機的換熱及湍流過程；Leong[11]等基于多孔介質-局部熱平衡理論，利用計算流體力學軟件Fluent模擬了環冷機內的流動與換熱過程。以上的研究工作僅研究換熱行為，未能建立相應計算公式或計算軟件，即還無法用于指導環冷機設計。為了對環冷機冷卻效果進行有效預測，在設計階段即時調整環冷機相關設計參數，開發環冷機冷卻過程仿真軟件迫在眉睫。
作者首先分析了環冷機內氣固換熱過程，基于氣體湍流方程、多孔介質模型與局部非熱平衡能量方程以及臺車單元環向移動等效環冷機模型，應用VB.NET 語言，對環冷機數值模擬過程的參數化建模、自動數值模擬、結果后處理等功能進行封裝，隱式生成 Gambit 幾何建模與網格劃分命令流，Fluent仿真計算與后處理命令流，生成了燒結礦冷卻過程自動仿真軟件，實現燒結礦冷卻過程的自動仿真，并通過與實測數據的對比驗證仿真結果的正確性。
1 仿真等效物理模型與數學模型的建立
1.1 環冷機仿真等效物理模型分析
本文以高效燒結環冷機為研究對象，結構展開圖如圖2所示。高效燒結環冷機可以分為回風段與鼓風機段兩個部分，主要區別在于余熱回收段冷卻風由余熱回風管道輸入，溫度約為 120 ℃，煙氣由集熱罩收集進行余熱利用，鼓風機段冷卻風為空氣由風機吹入，煙氣通過百葉窗直接排向大氣。
多功能高效環冷機臺車回轉半徑大，結構復雜，且臺車繞其回轉中心轉動動態冷卻，若要對整個環冷機進行動網格建模，將對仿真計算機性能要求過高，且仿真過程耗時極長，因此本文探究等效模型的解決方案。等效物理模型以臺車為研究對象，分別建立回風段、鼓風機段臺車等效物理模型，具體模型如圖3、圖4所示。
以圖3為例，為環冷機回風段臺車模型，由圖可知，臺車由下至上分為3個部分。最下部分為風箱，中間為燒結礦，上部為集熱罩與煙囪或其它排出煙氣裝置。
1.2 燒結礦冷卻過程數學模型
本文數值分析基于 FLUENT 軟件，對燒結礦冷 卻過程熱力學分析的重點即分析燒結礦與冷卻氣體換熱過程所涉及的控制方程。
1.2.1 氣體湍流方程
環冷機工作過程中冷卻氣體在燒結礦內進行流動，因此氣體的流動為湍流，選用標準 k - ε 模型[9] 。該模型中，k和ε對應的運輸方程為：
k方程：
式中：ρ代表密度；k代表湍動能；ε是湍流耗散率；u代表速度矢量；i、j代表坐標維數；S表示平均速度應變率張量；τtij代表雷諾應力；C1ε、C2ε 、σε、σε為常數。
1.2.2 多孔介質方程
燒結礦內存在很多微小孔隙，并且大多數孔隙之間能夠互相連通，因此燒結礦是多孔介質模型。
其黏性阻力系數（1/α）與慣性阻力系數（C 2 ）可通過Ergun方程計算:
黏性阻力系數和慣性阻力系數的定義分別為：
式中：L 代表燒結礦厚度，Dp是平均粒徑，? 代表燒結礦孔隙率，Δp 為壓降，u為動力粘度。
1.2.3 局部非熱平衡方程
本文燒結礦與冷卻氣體間的熱導率與相差較大，燒結礦與空氣溫度始終存在溫度差，局部熱力學平衡的假設不成立。本文采用局部非熱力學平衡雙能量方程，將燒結礦溫度和冷卻空氣溫度視為兩個獨立變量，定義燒結礦的平均溫度為 Ts，冷卻空氣的平均溫度為 Tf ，以平均容積法為基礎建立能量方程：
對于氣相：
式中：kf,eff為導熱系數，ρf是流體的密度，φf為內熱源，αsf為比表面積，ks,eff是固體的導熱系數，ρs是固體密度，φf是固體骨架中內熱源。
2 燒結環冷機自動仿真系統程序架構
2.1 程序功能設計
本程序基于 VB.NET 高級語言搭建平臺，將編制出集仿真前處理、計算、后處理于一體的，界面友好，操作簡便的，能夠對環冷機的設計與優化提供指導的燒結環冷機自動仿真系統。因此在功能方面，需要實現用戶從操作界面輸入基本參數，系統自動對數據進行分類與處理、自動調用 GAMBIT 建模與網格劃分、自動調用 FLUENT 進行仿真。仿真結束后，對仿真結果進行處理，輸出燒結礦與煙氣曲線圖、風箱流量圖、顯示仿真云圖、自動輸出并保存仿真結果表格。
2.2 程序架構
燒結環冷機自動仿真系統基于 VB.NET 平臺，對 FLUENT、GAMBIT 等仿真軟件進行封裝，包括前處理、仿真計算、后處理三大模塊。為了實現設計目標，達成設計要求，具體的流程圖如圖5。
2.3 交互設計
為了充分實現所需的功能，本系統主要設計了兩類操作界面，分別為參數輸入界面與仿真界面。
如圖6所示。
在圖6參數輸入界面中，左側為參數輸入欄，右側為模型示意圖。如圖7所示為燒結環冷機自動仿真系統仿真界面，其中下半部分為功能區，包括建模、仿真功能按鍵，圖形顯示按鍵以及結果保存按鍵。左上部與右上部分別為結果的數值顯示框與圖像顯示框。
3 Gambit 、Fluent 軟件命令語法分析與封裝技術
3.1 Gambit 參數化建模
本系統的建模與網格劃分環節采用了 Gambit軟件，Gambit內置了TUI命令語言，要實現參數化建模，只需利用 TUI 語言將模型參數與建模步驟編制成jounal文件導入Gambit即可。
3.1.1 Gambit命令語法分析
相較于其他建模軟件的命令流語言，Gambit的TUI 語言相對直觀與嚴謹，不易產生歧義。Gambit的建模以點作為基準，例如創建一個名稱為“in”的長方體的命令流語句：
“volume create "in" width 3.6 depth 2 height
0.5 offset 1.8 1 0.25 brick”
其中 3.6、2、0.5 分別為這個體的長、寬、高。而（1.8，1，0.25）是這個長方體中心點的坐標。因此，在 Gambit 中建立模型只需按照以上語法構建模型建立命令流即可。
網格劃分部分較為簡單，由于環冷機臺車的形狀是規整的長方體，因此只需以0.1m為尺寸劃分網格，網格劃分的命令流的語言為：
“volume mesh "in" "porous" "out" cooper
size 0.1”
指的是以 0.1 m 為尺寸，對以上“in”“porous”
“out”三個模型體劃分網格。
3.1.2 參數化建模及Gambit封裝技術
Gambit 本身無法替換參數的值，因此，在建模命令語言編輯完成后，需要利用 VB.NET 平臺對其進行參數化處理，以創建體為例，修改長方體的長度：
Dim width as string ；width=4
Dim jou1 As New IO.StreamWriter("1.jou")
jou1. WriteLine“( volume create "in" width “ +
width + ” depth 2 height 0.5 offset 1.8 1 0.25
brick”)。
這樣將此長方體的長度設置成參數 width，當width的值改變時，長方體的長度也隨之改變。
待所有模型命令進行了參數化處理后，需要調用GAMBIT，并且使其執行建立好的命令文件，調用Gambit并執行jounal文件“1.jou”命令的語句如下：
Shell("" + gambitpath + " -inp 1.jou -new")
調用語句使用“shell”函數，此函數的使用方法為“shell+調用路徑+參數1+參數2”，在以上語句中，" + gambitpath + "指 Gambit 應用程序路徑，" - inp 1.jou"指的是執行根目錄下文件名為1的命令文件，"-new"指建立新的模型文件。
3.2 fluent 命令語法研究與封裝技術
3.2.1 Fluent的GUI語法研究
Fluent是一款功能全面的計算流體力學仿真軟件，滿足燒結環冷機的仿真要求。Fluent 的命令語言采用 GUI 語法。因此，實現自動仿真需要使用GUI語言編制Fluent的jounal文件導入Fluent。
GUI語言的部分示例如下：
打開網格文件：“(cx-gui-do cx-set-text-entry
"select File*Text" "zhenduan.msh")”。
其中，“zhenduan.msh”指的是程序根目錄的網格文件，如果網格文件不在程序根目錄，則需要寫入完整的路徑。
設置仿真步長為 5s：“(cx-gui-do cx-set-real
entry - list "Run Calculation * Frame1 * Table1
*Frame6* Table6* RealEntry1 (Time Step Size)" '(
5))”
設置入口溫度為1023k：”(cx-gui-do cx-set-re
al - entry-list "Patch*Frame2*RealEntry1(Value)" '(
1023))”。
從以上這些例子可以看出，Fluent 的命令語句看似繁瑣復雜，實際上并不難理解。其結構通常為：“功能名*框架+編號*表格+編號*輸入框+編號（輸入的值）”構成，只需要理解這一命令結構就能逐句編出Fluent的命令語句。
3.2.2 Fluent封裝技術
同理，調用 Fluent 并讀取 jounal 文件自動仿真的語句如下：
Shell("" + fluentpath + " 3d -g -i 2.jou")
調用Fluent同樣使用“shell”函數，以上命令中，" + fluentpath + "表示 Fluent 軟件路徑，“3d”表示采用 3d 模型，“-g”表示打開設置菜單，“-i 2.jou ”表示執行根目錄下文件名為2的命令文件。
4 工程驗證
為了檢驗環冷機自動仿真平臺的可靠性，必須將數值仿真數據與實測數據進行對比分析。本文以鞍鋼 415㎡高效燒結環冷機為研究對象，實地檢測燒結礦溫度數據以及環冷機自動仿真平臺所需輸入參數。鞍鋼415 ㎡高效燒結環冷機中徑44 m，按照進風方式可以劃分為回風段與鼓風段，中間以隔板隔開，周向共布置有 5 臺風機。燒結礦入口溫度約為750 ℃，要求出口溫度為120 ℃以下。鞍鋼415 ㎡高效燒結環冷機關鍵參數與實測燒結礦物性參數如表1。
將表 1 中的參數輸入環冷機自動仿真平臺，經過數值模擬過程，得到燒結礦溫度變化數據。415㎡高效燒結環冷機運行一周的時間為 4200 s，為了減少篇幅同時保證對比準確度，現選取包括進口與出口在內的 11 個時間節點的燒結礦溫度數據進行對比，燒結礦溫度變化模擬數據與實測數據趨勢對比結果如圖8所示。
如圖 8 可知，燒結礦溫度實測曲線與模擬溫度曲線變化趨勢一致，而且重合率很高。現定量分析實測溫度與模擬溫度的絕對誤差與相對誤差，結果如下表2所示。
通過表 2 可以看出，最大的絕對誤差產生在1260 s 為 15.41℃，最大相對誤差產生在出口處為4.9%。由此可以得出結論，數值模擬所得到的數據誤差值控制在5%以內，符合工藝精度要求，因此認為使用文本開發的環冷機自動仿真平臺對環冷機設備進行數值模擬所得到的結果是準確、可靠的。
5 總結
作者主要研究工作及結論如下：
（1）分析了環冷機結構與運行方式建立了環冷機的等效物理模型，探究了燒結礦的冷卻機理，選用氣體湍流模型、多孔介質模型、局部非熱平衡方程建立了環冷機冷卻過程仿真模型。
（2）剖析了 Gambit、Fluent 軟件命令流語法，運用 VB.NET程序設計語言開發了界面友好的集基本參數輸入、自動前處理、自動仿真計算、自動后處理等功能于一體的環冷機燒結礦冷卻過程自動仿真軟件。極大簡化仿真操作過程，設計人員可以通過該軟件即時獲得燒結礦不同時刻溫度數據，也能觀察燒結礦溫度變化與排出煙氣隨時間溫度變化情況，使不具備計算流體力學知識背景的工程技術人員也能夠輕易的使用該軟件模擬仿真燒結礦冷卻過程。對指導環冷機設計具有重要意義。
（3）以鞍鋼 415㎡高效燒結環冷機為研究對象，以燒結礦溫度數據為參考指標，對比了實測數據與環冷機自動仿真平臺的模擬數據，驗證了本文開發的環冷機自動仿真平臺的準確性與易用性。
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