Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ 7
Системное представление и компоненты технологии математического моделирования 7
Характеристика процессов тепломассообмена в металлургических агрегатах и анализ их математических моделей... 17
Модели тепломассообмена в дисперсных системах 17
Модели тепломассообмена при наличии фазовых превращений 24
Модели тепломассообмена в некоторых металлургических процессах 31
Аналитические и численные методы решения задач моделирования тепломассообменных процессов 38
Объектно-ориентированные декомпозиция, анализ и проектирование в современных информационных технологиях 47
Постановка задачи 62
2. РАЗРАБОТКА ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
И МЕТОДОВ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ МАТЕМАТИЧЕСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ 67
2.1 Разработка объектно-ориентированной технологии
математического моделирования тепломассообменных процессов... 67
Структура и компоненты объектно-ориентированной технологии математического моделирования 67
Объектно-ориентированная декомпозиция задач моделирования тепломассообменных процессов 74
Разработка методики аналитического описания процессов тепломассообмена с зарождением новой фазы 84
Разработка, обоснование и тестирование численно-аналитического метода обращения интегрального преобразования Фурье 86
Алгоритмические основы построения комплекса Excel-приложений 95
Выводы по главе 2 110
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В
ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ В СТРУЙНО-ЭМУЛЬСИОННОМ
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ АГРЕГАТЕ 111
Характеристика струйно-эмульсионного агрегата и процесса непрерывного получения металла 111
Физическая постановка задачи 115
Разработка основ математического описания процессов в струйном реакторе-осцилляторе 124
Разработка математической модели тепломассообменных процессов в дисперсных системах 143
Математическое моделирование пульсирующего режима процесса образования газовой фазы 166
Математическое моделирование пространственно-временной структуры в эмульсионной системе 176
Выводы по главе 3 183
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА СТРУЙНО-
ЭМУЛЬСИОННОГО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО АГРЕГАТА С
ВНЕШНЕЙ СРЕДОЙ 187
Математическое моделирование теплообмена первого агрегата при разных способах охлаждения 187
Математическое моделирование теплообмена элементов конструкции агрегата со сложной геометрией 202
Математическое моделирование теплообмена эмульсионного реактора колонного типа при гарнисажном охлаждении 216
Моделирование процесса теплообмена при локализованном тепловом воздействии 224
Выводы по главе 4 228
5. МОДЕЛИРОВАЬІИЕ НЕКОТОРЫХ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССО
ОБМЕНА В СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ
ТЕХНОЛОГИЯХ 231
Математическое моделирование конвективного тепломассообмена в сталеразливочном ковше 231
Математическое моделирование конвективного теплообмена при электрошлаковой наплавке 273
Выводы по главе 5 290
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 292
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 295
ПРИЛОЖЕНИЯ 317
Введение к работе
Проблемы отечественной металлургии требуют решения задач, направленных на разработку эффективных технических решений, поиск оптимальных режимов управления существующими процессами, а также создание принципиально новых технологий и конструкций агрегатов. Для этого необходимо проведение исследований с целью изучения закономерностей, определяющих условий и режимов работы технологических объектов.
При создании и реализации в металлургических агрегатах различных технологий большое значение имеет уровень знаний о механизмах развития тепломассообмена в высокотемпературных гетерогенных системах различных по уровням взаимодействия и сложности.
Для решения таких задач широко применяются методы моделирования на основе формально-математического описания физико-химических явлений и реализации вычислительного эксперимента. В настоящее время возможности данной методологии далеко не исчерпаны. Поэтому актуальным является создание гибких и универсальных технологий математического моделирования, позволяющих эффективно решать различные научные и технические проблемы. Результаты, достигнутые при создании различных программных систем в области новых информационных технологий, предопределили выбор направления исследований в работе.
В соответствии с изложенным целью настоящей диссертации является создание и применение объектно-ориентированной технологии математического моделирования для исследования различных условий и режимов комплекса тепломассообменных процессов для действующих и проектируемых металлургических агрегатов.
На защиту выносятся следующие вопросы.
1. Технология математического моделирования тепломассообменных процессов в металлургических агрегатах, построенная на основе идеологии объектно-ориентированного анализа и проектирования;
Объектная архитектура процесса реализации математической модели и алгоритм решения задач математического моделирования;
Методика аналитического описания и математические модели процессов тепломассообмена с разрывными характеристиками;
Численно-аналитический метод обращения интегрального преобразования Фурье для математического описания тепломассообменных процессов при локализованном тепловом воздействии;
Математическая модель и численно-аналитический алгоритм расчета нестационарных тепломассообменных процессов в дисперсных частицах при высокотемпературном восстановлении с учетом фазового перехода;
Математические модели теплообмена реакторов струйно-эмульсионного металлургического агрегата с внешней средой при различных способах охлаждения;
Математическая модель конвективного тепломассообмена и численные алгоритмы для расчета режимов продувки металла в ковше при вне-печной обработке с учетом гидродинамического перемешивания;
Математическая модель конвективного теплообмена в электрошлаковой ванне и численные алгоритмы для расчета режимов электрошлаковой наплавки;
Алгоритмические основы построения и комплекс программ в виде Excel-приложений для моделирования процессов тепломассообмена в металлургических агрегатах.
Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления "Математические модели, автоматизированные обучающие и исследовательские системы, новые металлургические процессы на основе принципов самоорганизации", научным руководителем которого является Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор В.П. Цым-бал, в соответствии с планами следующих хоздоговорных и госбюджетных НИР Сибирского государственного индустриального университета: межвузовской целевой научно-технической программы "Металл", раздел 04, тема
04.03.04; целевой государственной программы Госкомитета РФ "Социально-экономические проблемы научно-технического прогресса Кузбасса"; региональной программы Минобразования РФ "Кузбасс", подпрограмма "Новые материалы"; региональной программы Миннауки РФ "Высшая школа Кузбасса"; научно-технической программы Минобразования РФ "Энерго- и ресурсосберегающие технологии в металлургии", 1998-1999 г., направление 3; единого заказ-наряда Минобразования РФ, 1995-2002 г.; трех конкурсов грантов Минобразования РФ по фундаментальным проблемам металлургии, раздел "Производство черных и цветных металлов и сплавов", 1996-1998 г., 1999-2000 г. и 2001-2002 г.; программы Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы в области производственных технологий", раздел 1.13 и "Научные исследования высшей школы в области новых материалов", раздел 2.3, 2000 г; программы Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники", подпрограмма "Новые материалы" 2001-2002 г. и подпрограмма "Производственные технологии" 2001-2002 г.
Своим приятным долгом автор считает выразить глубокую благодарность научному консультанту работы доктору технических наук, профессору СП. Мочалову и руководителю научного направления "Математические модели, автоматизированные обучающие и исследовательские системы, новые металлургические процессы на основе принципов самоорганизации", доктору технических наук, Заслуженному деятелю науки РФ, профессору В.П. Цым-балу, а также сотрудникам кафедры информационных технологий в металлургии за внимание и помощь, оказанные при выполнении настоящей работы и обсуждении ее результатов.
Автор выражает признательность и благодарность большой группе инженерно-технических работников сталеплавильного производства, инженерного центра ПНТ и управления автоматизации ОАО "ЗСМК", а также работникам лаборатории АСУ ТП УАСИТ ОАО "КМК" за большую помощь, оказанную при внедрении результатов данной работы.
