夏建芳，刘 寒，王潇杰

（中南大学机电工程学院，湖南长沙 410083）

【摘 要】 环式冷却机是烧结矿料的重要冷却设备，其设计理论均基于 20世纪 80年代日本以台车高度 1.5 m的实验研究结果，导致系列产品所有台车高度均为1.5 m，且难以预测烧结矿物性参数偏离实验工况下的环冷机真实冷却效果。作者在研究烧结矿风冷热交换机理和等效仿真模型基础上，应用 VB.NET语言，基于CFD平台，开发了环式鼓风冷却机烧结矿冷却过程自动仿真软件。该软件具备环冷机几何参数、烧结矿物性参数、烧结矿初始温度、风机风量等友好参数输入界面，自动仿真烧结矿温度、排出烟气温度随时间的变化曲线并以数据文件和图像显示。测试结果与仿真结果对比表明，烧结矿冷却过程仿真结果与实测结果误差在5%以内，满足工程精度要求，可以预测烧结矿冷却效果、指导环式冷却机的产品设计。

【关键词】 环式冷却机；数值模拟；仿真软件；CFD软件；VB.NET

引言

钢铁冶炼是一个高能耗、高污染的产业，据调查，在钢铁冶炼的过程中，烧结矿冷却工序能耗约占企业总能耗的10%~15%，是仅次于炼铁的第二大耗能工序^[1-2]。环式冷却机（以下简称环冷机）是烧结矿冷却工序中的关键设备，其结构图如下图 1 所示，随着我国钢铁行业节能减排要求的越来越高，如何增大环冷机产量，提高能源利用率成为了迫在眉睫的问题^[3-4] 。调研发现，制约我国环冷机设备发展的主要问题是目前国内环冷机的设计，都是参照上世纪八十年代日本基于台车高度1.5 m的测试数据及统计公式。正是因为如此，环冷机在设计的过程中，很多关键参数无法改变，比如，我国的环冷机不论尺寸大小，其台车高度都统一为 1.5m，导致现在只能通过增大环冷机截面积的方式来增大产量，造成环冷机安装场地需求越来越高。不仅如此，环冷机设计人员在设计完成之后也无法准确的预测环冷机的冷却效果。由此可知，传统的环冷机设计方法，已经无法适应现代的钢铁行业需求。

针对环冷机，国内外学者进行了一系列的研究。在结构改进方面张忠波等^[5]基于烧结机结构开发新型高效烧结环冷机，很大程度上降低设备漏风率，提升能源利用率；在冷却效率方面夏建芳等^[6]提出冷却能耗测试与计算方法，评价了多台套烧结机、环冷机的实际能耗。在数值模拟方面，Caputo^[7]在评估环冷机烧结矿冷却床的换热时，提出了一维稳态数学模型；Pelagagge^[8-9]等人提出了环冷机二维换热模型，并通过实测烧结矿的数据进行了验证。

Jang^[10]等提出了环冷机三维换热简易模型，用于模拟环冷机的换热及湍流过程；Leong^[11]等基于多孔介质-局部热平衡理论，利用计算流体力学软件Fluent模拟了环冷机内的流动与换热过程。以上的研究工作仅研究换热行为，未能建立相应计算公式或计算软件，即还无法用于指导环冷机设计。为了对环冷机冷却效果进行有效预测，在设计阶段即时调整环冷机相关设计参数，开发环冷机冷却过程仿真软件迫在眉睫。

作者首先分析了环冷机内气固换热过程，基于气体湍流方程、多孔介质模型与局部非热平衡能量方程以及台车单元环向移动等效环冷机模型，应用VB.NET 语言，对环冷机数值模拟过程的参数化建模、自动数值模拟、结果后处理等功能进行封装，隐式生成 Gambit 几何建模与网格划分命令流，Fluent仿真计算与后处理命令流，生成了烧结矿冷却过程自动仿真软件，实现烧结矿冷却过程的自动仿真，并通过与实测数据的对比验证仿真结果的正确性。

1 仿真等效物理模型与数学模型的建立

1.1 环冷机仿真等效物理模型分析

本文以高效烧结环冷机为研究对象，结构展开图如图2所示。高效烧结环冷机可以分为回风段与鼓风机段两个部分，主要区别在于余热回收段冷却风由余热回风管道输入，温度约为 120 ℃，烟气由集热罩收集进行余热利用，鼓风机段冷却风为空气由风机吹入，烟气通过百叶窗直接排向大气。

多功能高效环冷机台车回转半径大，结构复杂，且台车绕其回转中心转动动态冷却，若要对整个环冷机进行动网格建模，将对仿真计算机性能要求过高，且仿真过程耗时极长，因此本文探究等效模型的解决方案。等效物理模型以台车为研究对象，分别建立回风段、鼓风机段台车等效物理模型，具体模型如图3、图4所示。

以图3为例，为环冷机回风段台车模型，由图可知，台车由下至上分为3个部分。最下部分为风箱，中间为烧结矿，上部为集热罩与烟囱或其它排出烟气装置。

1.2 烧结矿冷却过程数学模型

本文数值分析基于 FLUENT 软件，对烧结矿冷 却过程热力学分析的重点即分析烧结矿与冷却气体换热过程所涉及的控制方程。

1.2.1 气体湍流方程

环冷机工作过程中冷却气体在烧结矿内进行流动，因此气体的流动为湍流，选用标准 k - ε 模型^[9] 。该模型中，k和ε对应的运输方程为：

k方程：

式中：ρ代表密度；k代表湍动能；ε是湍流耗散率；u代表速度矢量；i、j代表坐标维数；S表示平均速度应变率张量；τ_tij代表雷诺应力；C_1ε、C_2ε 、σ_ε、σ_ε为常数。

1.2.2 多孔介质方程

烧结矿内存在很多微小孔隙，并且大多数孔隙之间能够互相连通，因此烧结矿是多孔介质模型。

其黏性阻力系数（1/α）与惯性阻力系数（C 2 ）可通过Ergun方程计算:

黏性阻力系数和惯性阻力系数的定义分别为：

式中：L 代表烧结矿厚度，D_p是平均粒径，ϕ 代表烧结矿孔隙率，Δp 为压降，u为动力粘度。

1.2.3 局部非热平衡方程

本文烧结矿与冷却气体间的热导率与相差较大，烧结矿与空气温度始终存在温度差，局部热力学平衡的假设不成立。本文采用局部非热力学平衡双能量方程，将烧结矿温度和冷却空气温度视为两个独立变量，定义烧结矿的平均温度为 Ts，冷却空气的平均温度为 Tf ，以平均容积法为基础建立能量方程：

对于气相：

式中：k_f,eff为导热系数，ρ_f是流体的密度，φ_f为内热源，α_sf为比表面积，k_s,eff是固体的导热系数，ρ_s是固体密度，φ_f是固体骨架中内热源。

2 烧结环冷机自动仿真系统程序架构

2.1 程序功能设计

本程序基于 VB.NET 高级语言搭建平台，将编制出集仿真前处理、计算、后处理于一体的，界面友好，操作简便的，能够对环冷机的设计与优化提供指导的烧结环冷机自动仿真系统。因此在功能方面，需要实现用户从操作界面输入基本参数，系统自动对数据进行分类与处理、自动调用 GAMBIT 建模与网格划分、自动调用 FLUENT 进行仿真。仿真结束后，对仿真结果进行处理，输出烧结矿与烟气曲线图、风箱流量图、显示仿真云图、自动输出并保存仿真结果表格。

2.2 程序架构

烧结环冷机自动仿真系统基于 VB.NET 平台，对 FLUENT、GAMBIT 等仿真软件进行封装，包括前处理、仿真计算、后处理三大模块。为了实现设计目标，达成设计要求，具体的流程图如图5。

2.3 交互设计

为了充分实现所需的功能，本系统主要设计了两类操作界面，分别为参数输入界面与仿真界面。

如图6所示。

在图6参数输入界面中，左侧为参数输入栏，右侧为模型示意图。如图7所示为烧结环冷机自动仿真系统仿真界面，其中下半部分为功能区，包括建模、仿真功能按键，图形显示按键以及结果保存按键。左上部与右上部分别为结果的数值显示框与图像显示框。

3 Gambit 、Fluent 软件命令语法分析与封装技术

3.1 Gambit 参数化建模

本系统的建模与网格划分环节采用了 Gambit软件，Gambit内置了TUI命令语言，要实现参数化建模，只需利用 TUI 语言将模型参数与建模步骤编制成jounal文件导入Gambit即可。

3.1.1 Gambit命令语法分析

相较于其他建模软件的命令流语言，Gambit的TUI 语言相对直观与严谨，不易产生歧义。Gambit的建模以点作为基准，例如创建一个名称为“in”的长方体的命令流语句：

“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 分别为这个体的长、宽、高。而（1.8，1，0.25）是这个长方体中心点的坐标。因此，在 Gambit 中建立模型只需按照以上语法构建模型建立命令流即可。

网格划分部分较为简单，由于环冷机台车的形状是规整的长方体，因此只需以0.1m为尺寸划分网格，网格划分的命令流的语言为：

“volume mesh "in" "porous" "out" cooper

size 0.1”

指的是以 0.1 m 为尺寸，对以上“in”“porous”

“out”三个模型体划分网格。

3.1.2 参数化建模及Gambit封装技术

Gambit 本身无法替换参数的值，因此，在建模命令语言编辑完成后，需要利用 VB.NET 平台对其进行参数化处理，以创建体为例，修改长方体的长度：

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”)。

这样将此长方体的长度设置成参数 width，当width的值改变时，长方体的长度也随之改变。

待所有模型命令进行了参数化处理后，需要调用GAMBIT，并且使其执行建立好的命令文件，调用Gambit并执行jounal文件“1.jou”命令的语句如下：

Shell("" + gambitpath + " -inp 1.jou -new")

调用语句使用“shell”函数，此函数的使用方法为“shell+调用路径+参数1+参数2”，在以上语句中，" + gambitpath + "指 Gambit 应用程序路径，" - inp 1.jou"指的是执行根目录下文件名为1的命令文件，"-new"指建立新的模型文件。

3.2 fluent 命令语法研究与封装技术

3.2.1 Fluent的GUI语法研究

Fluent是一款功能全面的计算流体力学仿真软件，满足烧结环冷机的仿真要求。Fluent 的命令语言采用 GUI 语法。因此，实现自动仿真需要使用GUI语言编制Fluent的jounal文件导入Fluent。

GUI语言的部分示例如下：

打开网格文件：“(cx-gui-do cx-set-text-entry

"select File*Text" "zhenduan.msh")”。

其中，“zhenduan.msh”指的是程序根目录的网格文件，如果网格文件不在程序根目录，则需要写入完整的路径。

设置仿真步长为 5s：“(cx-gui-do cx-set-real

entry - list "Run Calculation * Frame1 * Table1

*Frame6* Table6* RealEntry1 (Time Step Size)" '(

5))”

设置入口温度为1023k：”(cx-gui-do cx-set-re

al - entry-list "Patch*Frame2*RealEntry1(Value)" '(

1023))”。

从以上这些例子可以看出，Fluent 的命令语句看似繁琐复杂，实际上并不难理解。其结构通常为：“功能名*框架+编号*表格+编号*输入框+编号（输入的值）”构成，只需要理解这一命令结构就能逐句编出Fluent的命令语句。

3.2.2 Fluent封装技术

同理，调用 Fluent 并读取 jounal 文件自动仿真的语句如下：

Shell("" + fluentpath + " 3d -g -i 2.jou")

调用Fluent同样使用“shell”函数，以上命令中，" + fluentpath + "表示 Fluent 软件路径，“3d”表示采用 3d 模型，“-g”表示打开设置菜单，“-i 2.jou ”表示执行根目录下文件名为2的命令文件。

4 工程验证

为了检验环冷机自动仿真平台的可靠性，必须将数值仿真数据与实测数据进行对比分析。本文以鞍钢 415㎡高效烧结环冷机为研究对象，实地检测烧结矿温度数据以及环冷机自动仿真平台所需输入参数。鞍钢415 ㎡高效烧结环冷机中径44 m，按照进风方式可以划分为回风段与鼓风段，中间以隔板隔开，周向共布置有 5 台风机。烧结矿入口温度约为750 ℃，要求出口温度为120 ℃以下。鞍钢415 ㎡高效烧结环冷机关键参数与实测烧结矿物性参数如表1。

将表 1 中的参数输入环冷机自动仿真平台，经过数值模拟过程，得到烧结矿温度变化数据。415㎡高效烧结环冷机运行一周的时间为 4200 s，为了减少篇幅同时保证对比准确度，现选取包括进口与出口在内的 11 个时间节点的烧结矿温度数据进行对比，烧结矿温度变化模拟数据与实测数据趋势对比结果如图8所示。

如图 8 可知，烧结矿温度实测曲线与模拟温度曲线变化趋势一致，而且重合率很高。现定量分析实测温度与模拟温度的绝对误差与相对误差，结果如下表2所示。

通过表 2 可以看出，最大的绝对误差产生在1260 s 为 15.41℃，最大相对误差产生在出口处为4.9%。由此可以得出结论，数值模拟所得到的数据误差值控制在5%以内，符合工艺精度要求，因此认为使用文本开发的环冷机自动仿真平台对环冷机设备进行数值模拟所得到的结果是准确、可靠的。

5 总结

作者主要研究工作及结论如下：

（1）分析了环冷机结构与运行方式建立了环冷机的等效物理模型，探究了烧结矿的冷却机理，选用气体湍流模型、多孔介质模型、局部非热平衡方程建立了环冷机冷却过程仿真模型。

（2）剖析了 Gambit、Fluent 软件命令流语法，运用 VB.NET程序设计语言开发了界面友好的集基本参数输入、自动前处理、自动仿真计算、自动后处理等功能于一体的环冷机烧结矿冷却过程自动仿真软件。极大简化仿真操作过程，设计人员可以通过该软件即时获得烧结矿不同时刻温度数据，也能观察烧结矿温度变化与排出烟气随时间温度变化情况，使不具备计算流体力学知识背景的工程技术人员也能够轻易的使用该软件模拟仿真烧结矿冷却过程。对指导环冷机设计具有重要意义。

（3）以鞍钢 415㎡高效烧结环冷机为研究对象，以烧结矿温度数据为参考指标，对比了实测数据与环冷机自动仿真平台的模拟数据，验证了本文开发的环冷机自动仿真平台的准确性与易用性。

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