八流連鑄中間包內(nèi)的流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)

八流連鑄中間包內(nèi)的流動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)

1學(xué)習(xí)方法1.1“水模”實(shí)驗(yàn)方法一:“有機(jī)玻璃—物理模型的建立基于相似原理，利用八個(gè)流結(jié)構(gòu)的小波變換中間包作為研究對(duì)象，建立了1:2的物理模型。如下所示。λ=lm/lp=0.5(1)(m—模型,p—原型,以下相同)由式(1)、(2)可以得到如下關(guān)系:物理模型用有機(jī)玻璃制作,水作模化介質(zhì)。水模實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。由(3)、(5)式可確定模型中的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。采用“刺激—響應(yīng)”實(shí)驗(yàn)方法,用飽和食鹽水做示蹤劑在中間包入口以脈沖方式加入,同時(shí)在出口用“電導(dǎo)儀—計(jì)算機(jī)”系統(tǒng)采集水溶液的電導(dǎo)率,根據(jù)電導(dǎo)率與食鹽濃度的關(guān)系可以得到出水口處食鹽濃度的變化曲線(C曲線)用于進(jìn)一步分析?？紤]到對(duì)稱性,實(shí)驗(yàn)中只采集了1-4流出口的數(shù)據(jù)。采集時(shí)間設(shè)為中間包模型內(nèi)水的理論平均停留時(shí)間的2倍。1.3rtd曲線分析(1)中間包模型內(nèi)水停留時(shí)間的計(jì)算設(shè)多流連鑄中間包流數(shù)為n,有效容積為VR,總流量為Q,各流流量為q,各流的濃度響應(yīng)曲線分別為C1(t)、C2(t)、…、Cn(t),示蹤劑的總加入量為MO。中間包模型內(nèi)水的理論平均停留時(shí)間為:根據(jù)冶金反應(yīng)工程學(xué)理論,停留時(shí)間分布密度函數(shù)即E(t)的定義是:E(t)dt是同一時(shí)刻進(jìn)入反應(yīng)器的流體總量中,停留時(shí)間為t到t+dt的那部分流體所占分率。那么對(duì)于多流中間包:無(wú)因次形式為:(式中無(wú)因次時(shí)間θ=t/τ)(7)已知實(shí)際平均停留時(shí)間為:由離散化的C曲線計(jì)算中間包模型內(nèi)水的整體和各流的實(shí)際平均停留時(shí)間如(9)、(10)式所示。(6)、(9)、(10)式中:i為流數(shù),i=1,2…,n;j為采樣次數(shù),j=1,2,…,m。(2)活性流體模型用組合模型來(lái)分析中間包內(nèi)的流動(dòng)模式,組合模型認(rèn)為中間包內(nèi)的流動(dòng)模式由死區(qū)、活塞流和全混流組成。根據(jù)Sahai的修正組合模型,死區(qū)體積(Vd)分?jǐn)?shù)為:活塞流體積(vp)分?jǐn)?shù)為:式(11)、(12)中,Qa為活性流體體積流量,無(wú)因次時(shí)間0=t/τ,tmin為開始響應(yīng)時(shí)間。對(duì)于多流中間包,流向各出口的活塞流應(yīng)該是并聯(lián)關(guān)系,則(3)離散度的統(tǒng)計(jì)計(jì)算各流平均停留時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差為:定義分別為各流開始響應(yīng)時(shí)間和平均停留時(shí)間的離散度,用來(lái)表征中間包不同流的流動(dòng)一致性。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理可知,離散度越大,相應(yīng)的值相差越大,流動(dòng)越不均勻,離散度越小,相應(yīng)的值分布越集中,趨于均勻。也有研究者直接用標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)評(píng)價(jià)流動(dòng)均勻性,對(duì)優(yōu)化多流中間包流場(chǎng)具有一定指導(dǎo)作用,但筆者認(rèn)為對(duì)于不同控流方案的中間包,RTD曲線特征值的基數(shù)往往不同,其絕對(duì)值的可比性差,用其相對(duì)值(即離散度)進(jìn)行比較更恰當(dāng)。2優(yōu)化設(shè)計(jì)方案方案對(duì)比對(duì)圖2所示的4種控流方案的中間包進(jìn)行物理模擬實(shí)驗(yàn),其中1#方案為中間包內(nèi)無(wú)任何控流裝置的情況,2#方案為現(xiàn)用中間包的控流方案,3#方案為優(yōu)化設(shè)計(jì)的“V墻+壩”方案,4#方案為優(yōu)化設(shè)計(jì)的全擋壩方案。3#、3#控流方案各階段停留時(shí)間的比較1#～4#方案中間包模型出口的濃度響應(yīng)曲線如圖3所示。從圖3可以看出,中間包內(nèi)無(wú)控流裝置(1#方案)時(shí),靠近長(zhǎng)水口的4流響應(yīng)時(shí)間很短,曲線出現(xiàn)尖峰而且峰值較大,表明有短路流存在,4#方案也有類似現(xiàn)象。2#、3#方案則消除了短路流現(xiàn)象。用前文推導(dǎo)的多流中間包RTD曲線分析方法對(duì)圖3中各曲線進(jìn)行定量分析,結(jié)果如表2、3所示。從表中比較可以看出,2#、3#和4#控流方案都在不同程度上延長(zhǎng)了水在中間包模型內(nèi)的整體停留時(shí)間,減小了死區(qū)體積,其中3#方案效果最好,4#方案效果最差;在增加活塞流體積方面,4#方案效果最好,其次是3#方案;在流動(dòng)一致性方面,2#方案的開始響應(yīng)時(shí)間離散度最小,其次是3#方案;3#方案平均停留時(shí)間的離散度最小,2#、4#方案離散度較大。因此,綜合考慮各個(gè)特征參數(shù)可知,3#方案的綜合性能最好。4對(duì)流場(chǎng)模擬優(yōu)化(1)在不加任何控流裝置(1#方案)時(shí),中間包內(nèi)存在較大死區(qū),死區(qū)體積分?jǐn)?shù)為38.8%,還存在明顯的短路流現(xiàn)象,各流開始響應(yīng)時(shí)間和平均停留時(shí)間的離散度都較大,流動(dòng)一致性較差。(2)現(xiàn)用的控流方案(2#方案)對(duì)中間包流場(chǎng)有一定的改善作用,活塞流區(qū)域有所增加,死區(qū)體積有所減小,但死區(qū)體積仍然很大(31.7%),和1#方案相比,各流流動(dòng)的不均勻程度沒有減小反而增大。(3)“V墻+壩”方案(3#方案)能使中間包內(nèi)形成較合理的流場(chǎng),消除了短路流,較大程度地延長(zhǎng)了平均停留時(shí)間,死區(qū)體積分?jǐn)?shù)減小到18.8%,各流平均停留時(shí)間的離散程度大大降低,流場(chǎng)一致性得到很好的改善,為1#～4#方案中的最佳方案。(4