冶金過程數(shù)值模擬

冶金過程數(shù)值模擬

NumericalModellingofMetallurgicalProcessing主講：吳永全上海大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院，材料工程系，冶金工程教研室本科生課程——冶金過程數(shù)值模擬2025/1/3本科生課程——冶金過程數(shù)值模擬2025/1/3本科生課程——冶金過程數(shù)值模擬49/staff/Wu_YongQuan/2025/1/3本科生課程——冶金過程數(shù)值模擬186021063562025/1/31.理解第一位——概念的理解是學(xué)習(xí)過程的關(guān)鍵之關(guān)鍵，能夠達(dá)到舉一反三的理解才算真正到位；2.應(yīng)用既是過程也是目的——知識的應(yīng)用是鞏固學(xué)成的過程，也是最終學(xué)成的目的；3.自學(xué)是大學(xué)學(xué)習(xí)的本質(zhì)特征——訓(xùn)練和強(qiáng)化自學(xué)能力是大學(xué)生涯最根本的任務(wù)，但事實是大部分學(xué)生到研究生階段仍然沒有好的自學(xué)能力和自學(xué)習(xí)慣，請記住：從現(xiàn)在開始系統(tǒng)培養(yǎng)自己的自學(xué)能力還為時未晚；本科生課程——冶金過程數(shù)值模擬2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——參考書目陳建斌編著，冶金過程數(shù)值模擬基礎(chǔ)，冶金工業(yè)出版社，2019舍克里等著、蔡開科譯，金屬初級加工過程的數(shù)學(xué)和物理模型，冶金工業(yè)出版社，1992蕭澤強(qiáng)，朱苗勇著，冶金過程數(shù)值模擬分析技術(shù)的應(yīng)用，冶金工業(yè)出版社，2019張玉柱、艾立群編著，鋼鐵冶金過程的數(shù)學(xué)解析與模擬，冶金工業(yè)出版社，20192025/1/3*冶金數(shù)值——緒論——先選課程《冶金物理化學(xué)》《鋼鐵冶金原理》《流體力學(xué)》《數(shù)值分析》《計算機(jī)編程》冶金數(shù)值——授課內(nèi)容授課內(nèi)容緒論數(shù)值求解方法冶金過程數(shù)值模擬數(shù)學(xué)描述3學(xué)時6學(xué)時15學(xué)時6學(xué)時另外加上6學(xué)時的課外計算機(jī)實驗學(xué)時。導(dǎo)熱問題數(shù)值模擬對流與擴(kuò)散數(shù)值模擬流場計算簡介2025/1/3冶金數(shù)值——授課內(nèi)容授課內(nèi)容緒論數(shù)值求解方法冶金過程數(shù)值模擬高爐煉鐵過程數(shù)值模擬轉(zhuǎn)爐煉鋼過程數(shù)值模擬爐外鋼包數(shù)值模擬連鑄過程數(shù)值模擬計算流體力學(xué)其它興趣數(shù)學(xué)描述緒論2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——目錄基本概念1數(shù)學(xué)模型的分類2數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟3數(shù)學(xué)模型的作用與意義4基本概念1舉例說明52025/1/3冶金數(shù)值——緒論——基本概念冶金冶煉金屬2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——基本概念鋼鐵冶金流程簡介原材料處理高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼連鑄連軋……steelcool/2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——基本概念鋼鐵冶金流程簡介原材料處理高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼連鑄連軋……2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——基本概念鋼鐵冶金流程簡介原材料處理高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼連鑄連軋……高爐煉鐵2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——基本概念鋼鐵冶金流程簡介原材料處理高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼連鑄連軋……高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——基本概念鋼鐵冶金流程簡介原材料處理高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼連鑄連軋……高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——基本概念鋼鐵冶金流程簡介原材料處理高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼連鑄連軋……高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼連鑄2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——基本概念鋼鐵冶金流程簡介原材料處理高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼連鑄連軋……高爐煉鐵轉(zhuǎn)爐或電爐煉鋼連鑄連軋2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——基本概念冶金過程數(shù)值模擬冶煉金屬實際生產(chǎn)過程中的一個相對獨(dú)立的物質(zhì)處理單元。數(shù)學(xué)模型Mathematicalmodel數(shù)學(xué)模擬Mathematicalmodelling數(shù)值模擬Numericalmodelling用數(shù)學(xué)語言描述實際現(xiàn)象通過數(shù)學(xué)模型對實際現(xiàn)象的描述和求解，實現(xiàn)對實際過程的數(shù)學(xué)再現(xiàn)需要計算機(jī)進(jìn)行數(shù)值求解的數(shù)學(xué)模擬物理模擬2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——目錄基本概念1數(shù)學(xué)模型的分類2數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟3數(shù)學(xué)模型的作用與意義4基本概念1數(shù)學(xué)模型的分類2舉例說明52025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型的分類數(shù)學(xué)模型研究對象的認(rèn)識程度白箱模型黑箱模型灰箱模型又稱機(jī)理模型，根據(jù)物理或化學(xué)的基本原理建立的模型。依據(jù)冶金熱力學(xué)、動力學(xué)、三傳、應(yīng)變等，建立常微分或偏微分方程（組），相應(yīng)初始條件和邊界條件，進(jìn)行數(shù)值求解。對內(nèi)部性質(zhì)和過程完全無知，只能對輸入和輸出的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計回歸，是經(jīng)驗?zāi)Ｐ停饕腥斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、遺傳算法、模糊控制等，主要用于過程調(diào)節(jié)和控制。以物理和化學(xué)定律為基礎(chǔ)，同時包含一定的經(jīng)驗假定或參數(shù)的模型，又稱半經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，冶金過程復(fù)雜，因素多，且形狀復(fù)雜多變，因此實際冶金過程大多屬于這種模型。2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型的分類數(shù)學(xué)模型按過程狀態(tài)區(qū)分靜態(tài)模型Staticmodel動態(tài)模型Dynamicmodel模型參數(shù)在過程中是否變化。2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型的分類數(shù)學(xué)模型按空間變量與時間關(guān)系穩(wěn)態(tài)模型Steadymodel非穩(wěn)態(tài)模型Unsteadymodel分布空間各點的過程參數(shù)隨不隨時間變化。2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型的分類數(shù)學(xué)模型按變量的確定性與否確定性模型Deterministicmodel非確定性模型Nondeterministicmodel根據(jù)變量是確定性或隨機(jī)性的而定。統(tǒng)計模型Statistic隨機(jī)模型Stochastic2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——目錄基本概念1數(shù)學(xué)模型的分類2數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟3數(shù)學(xué)模型的作用與意義4基本概念1數(shù)學(xué)模型的分類2舉例說明5數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟32025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟初步研究數(shù)學(xué)模型程序?qū)崿F(xiàn)驗證？應(yīng)用YesNoAnalysisFormulationSolutionInterpretationVerificationApplication2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟初步研究數(shù)學(xué)模型程序?qū)崿F(xiàn)驗證？應(yīng)用YesNo摸排階段。根據(jù)實際生產(chǎn)提出的問題，了解問題背景、主次、本質(zhì)、目標(biāo)、建模方法；梳理階段。確定目標(biāo)，限定過程現(xiàn)象，據(jù)此進(jìn)行參量分析、確定問題的參數(shù)、搜集各種必要信息，明確已知量、未知量、自變量、因變量、主要量、次要量，以及這些量之間的關(guān)系和所屬的基礎(chǔ)理論范疇，同時做出誤差允許范圍內(nèi)的簡化處理，舍棄一些次要量，便于求解；建模階段。通過基本過程描述，進(jìn)行理論依據(jù)的選取，根據(jù)文獻(xiàn)收集，進(jìn)行合適的數(shù)學(xué)模型的比較分析和選取，如果沒有合適模型，需要自定義模型。2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟數(shù)學(xué)模型初步研究程序?qū)崿F(xiàn)驗證？應(yīng)用YesNo關(guān)鍵屬性。數(shù)學(xué)模型是數(shù)值模擬的關(guān)鍵和核心；三個步驟。數(shù)學(xué)模型的建立可以分成三個步驟：(a).分解，將復(fù)雜的冶金反應(yīng)過程分解為流體流動、傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)等基本單元過程；(b).簡化，通過一系列假設(shè)對問題進(jìn)行合理簡化，簡化原則包括：抓住主要矛盾而不失真實性，滿足應(yīng)用的精度要求，適應(yīng)當(dāng)前實驗條件，以便進(jìn)行模型識別和參數(shù)估算，適應(yīng)現(xiàn)有計算機(jī)能力；(c).推導(dǎo)，基于上述分解和假設(shè)，開始對所有的數(shù)學(xué)表達(dá)進(jìn)行具體推導(dǎo)，構(gòu)建模型的核心方程組，可以是線性、非線性，常微分、偏微分，甚至隱函數(shù)；特殊聲明。分解是簡化的前提，簡化使數(shù)學(xué)描述成為可能；參數(shù)估算。兩種方法：實際測定+實測數(shù)據(jù)的擬合。2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟程序?qū)崿F(xiàn)初步研究數(shù)學(xué)模型驗證？應(yīng)用YesNo前提條件。數(shù)學(xué)模型、初始條件、邊界條件、參數(shù)值確定；數(shù)值求解。工程研究中的大多數(shù)計算都是計算機(jī)數(shù)值求解，根據(jù)模型中的方程類型選擇不同的數(shù)值方法；程序?qū)崿F(xiàn)。三種選擇：高級計算機(jī)語言，如Fortran、TurboC、C++、Basic等，自行編程實現(xiàn)；利用現(xiàn)成的數(shù)值計算軟件，如Mathematica、Matlab等，進(jìn)行簡單編程實現(xiàn)；采用專業(yè)軟件進(jìn)行求解，如流場計算采用Fluent、CFD等進(jìn)行計算，有限元分析采用Ansys進(jìn)行計算等；“計算機(jī)實驗”。一旦模型確定且程序?qū)崿F(xiàn)，這個創(chuàng)建的模型軟件就是一個完備的計算機(jī)實驗，因為其中所有的參數(shù)都可以隨心所欲地進(jìn)行調(diào)節(jié)（比如將研究對象溫度從100K升高到2000K，不必?fù)?dān)心對實驗員的人身安全和實驗資金問題），以考察對結(jié)果的影響，加快進(jìn)度的同時，節(jié)約人力物力財力。2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟驗證？初步研究數(shù)學(xué)模型程序?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用YesNo重要意義。把模型計算結(jié)果與實際反應(yīng)器或模擬實驗的實際現(xiàn)象的操作結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，檢驗?zāi)Ｐ偷暮侠硇院蛯嵱眯?；操作過程。如果計算值與實際值之間的偏差在要求的精度范圍內(nèi)，說明計算結(jié)果與實際數(shù)據(jù)吻合，模型可以描述所研究的過程，模型能反映實際過程的規(guī)律，檢驗結(jié)果是正確的或基本正確的；經(jīng)驗總結(jié)。模型計算與實際數(shù)據(jù)存在一定誤差是正常的，但如果存在規(guī)律性偏差或較大誤差，則必須詳細(xì)分析原因，可能的原因包括：

程序錯誤、參數(shù)估值不準(zhǔn)確、模型本身問題和測試問題，根據(jù)具體原因進(jìn)行相應(yīng)修改，因此建模過程是一個“理論、實踐、再理論、再實踐……”的循環(huán)過程。2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟應(yīng)用初步研究數(shù)學(xué)模型程序?qū)崿F(xiàn)驗證？YesNo互益性。一方面，利用成熟模型充分發(fā)揮分析、研究、解決實際問題的能力，另一方面，在實際應(yīng)用中模型本身也不斷得到客觀公正的檢驗，從而得到不斷的改進(jìn)和完善；實驗性。在模型正確的基礎(chǔ)上，可以做進(jìn)一步的“實驗”，改變原料條件、設(shè)備參數(shù)、工藝參數(shù)、操作參數(shù)等，進(jìn)行對比計算，通過比對計算結(jié)果實現(xiàn)對所研究的設(shè)備或工藝的優(yōu)化建議、措施和方案；總結(jié)。并非所有的建模過程都必須嚴(yán)格按照這樣的步驟進(jìn)行，而且每個步驟之間的界限也不是如此明顯，但養(yǎng)成一個按部就班的工作習(xí)慣，對于做研究而言是比較有益的。2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——目錄基本概念1數(shù)學(xué)模型的分類2數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟3數(shù)學(xué)模型的作用與意義4基本概念1數(shù)學(xué)模型的分類2舉例說明5數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟3數(shù)學(xué)模型的作用與意義42025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型的作用與意義數(shù)學(xué)模型優(yōu)化人工智能過程控制規(guī)劃實驗室和中試實驗解釋實驗結(jié)果2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型的作用與意義現(xiàn)有工藝：加深多過程的基本現(xiàn)象、反應(yīng)機(jī)理的認(rèn)識，為改善工藝過程和操作提供依據(jù)；探索設(shè)備、工藝過程和操作參數(shù)的變化對冶金效果的影響和變化規(guī)律及它們之間的定量關(guān)系，為優(yōu)化工藝、改進(jìn)設(shè)備、改善操作提供必要的數(shù)據(jù)和依據(jù)；實現(xiàn)對工藝過程的診斷和過程的自動控制；指導(dǎo)中試廠和現(xiàn)場實物實驗的設(shè)計和規(guī)劃，以節(jié)省開支等。新工藝：對新設(shè)計工藝的可行性和靈活性做出準(zhǔn)確的估計；對規(guī)劃和設(shè)計實驗室、中試廠或?qū)嵨镆?guī)模的實驗提供指導(dǎo)；幫助評估中試廠或?qū)嵨镌囼灲Y(jié)果和進(jìn)行比例放大；在一定條件下，可替代中試廠或現(xiàn)場實物進(jìn)行開發(fā)性試驗，以節(jié)省費(fèi)用等。2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學(xué)模型的作用與意義

運(yùn)用數(shù)學(xué)的多少是一門科學(xué)成熟程度的標(biāo)志。馬克思2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——目錄基本概念1數(shù)學(xué)模型的分類2數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟3數(shù)學(xué)模型的作用與意義4基本概念1數(shù)學(xué)模型的分類2舉例說明5數(shù)學(xué)模型建立方法和步驟3數(shù)學(xué)模型的作用與意義4舉例說明52025/1/3冶金數(shù)值——緒論——舉例說明寶鋼集團(tuán)不銹鋼分公司煉鐵分廠石灰套筒窯的溫度場、流場模擬2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——舉例說明寶鋼集團(tuán)不銹鋼事業(yè)部煉鐵分廠石灰套筒窯的溫度場、流場模擬2025/1/3*冶金數(shù)值——緒論——舉例說明寶鋼集團(tuán)不銹鋼事