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1、-范文最新推荐- 配煤槽水分分布模型的有限差分解法 摘要焦炭质量在一定程度上影响着炼铁指标, 而配煤结构的合理性对焦炭质量的影响程度约30%. 实际配煤过程中, 配合槽的水分设定值滞后将近24小时, 严重影响配煤切出准确率. 因此, 有必要研究配合槽内的水分分布情况和预测配合槽下切出煤料的含水率, 以指导配煤时间, 提高配煤精度.5102本文主要利用对流方程和对流扩散方程, 建立一维情况下的水分渗透模型, 并采用有限差分方法进行求解. 通过数值模拟, 比较了对流模型和对流渗透模型, 说明对流渗透模型更接近实际情况. 另外, 建立了配合槽的加煤和切煤模型, 以模拟实际的加煤和切煤过程. 利用实验
2、数据和现场数据, 确定和验证方程中对流速度和扩散速度涉及到的参数. 最后, 利用所建立的模型, 模拟了包含加煤, 渗透和切煤的实际过程, 并预测了不同初始含水率情况下水分的渗透结果.关键词：水分分布模型 渗透 对流扩散方程 有限差分解法 AbstractCoke quality to a certain extent, affects the ironmaking indices, and the influence degree of the rationality of structure of coal blending for coke quality of about 30%. Ac
3、tual blending process, cooperate with tank water set data lag for almost 24 hours, seriously affect the coal blending cut out accuracy. Therefore, it is necessary to study moisture distribution within the tank and predict the channel incised the moisture content of the coal material, to guide the bl
4、ending time and improve blending precision.Convection equation in this paper, we use and convection diffusion equation, the model of water seepage of one dimensional case, and USES the finite difference method to solve. Through numerical simulation, compares the convection model and convective penet
5、ration model, shows that the convective penetration model closer to actual situation. Slot in addition to set up the model of coal and coal cutting, to simulate the actual process of coal and coal cutting. Using the experiment data and field data, identify and verify equation of diffusion and convec
6、tion speed parameters are involved. Finally, using the established model, and simulates the containing coal, infiltration and the actual process of coal cutting, and water infiltration under different initial moisture content was predicted results. 焦炭质量在一定程度上影响着炼铁指标. 而影响焦炭质量的因素是多方面的, 主要是炼焦煤的性质及资源供应情
7、况, 配煤结构及炼焦过程. 根据炼焦经验, 其中配煤结构的合理性对焦炭质量的影响程度为30%.目前, 煤的配合环节存在如下问题:(1) 水份数据检测频度不够. 从时间上来说, 实际生产中, 是以一个班的水份检测值作为一天的水份实际值, 在天气变化较大及来煤不稳定的情况下, 将产生很大的误差, 进而影响配煤结构执行的精度.(2) 配合槽当天的水分设定值对应的是原料分厂在前一天的取样, 滞后将近24小时,造成槽下切出时实际水分与设定水分有较大偏差, 严重影响配煤切出准确率, 从而对焦炭质量造成影响.鉴于上述问题的存在, 有必要研究不同性质与使用比例的煤种在配合槽内的水分分布情况, 并建立起配合槽下
8、切出煤料水分的预测模型, 以指导配煤时间, 提高配煤精度. 本课题旨在建立配合槽中煤的水分渗透模型, 并用数值方法求解, 得出各时刻的水分分布的预测结果, 以期用于指导生产实践.1.2问题描述配合槽的上部是底面半径为5.5m, 高为6.25m的圆柱体, 下部是高为13.25m的圆锥体, 其横截面如图所示. 配合槽中的煤静止一段时间后, 煤粒表面的水膜连在一起, 开始发生渗透. 鉴于此, 切煤过程中, 煤粒处于运动状态, 水膜无法连接, 不考虑渗透问题. 为了获得切煤过程中各时刻在配合槽底部的煤的含水率, 需获得切煤开始时刻配合槽中各位置的含水率. 因此, 需建立水分渗透模型, 以获取静止后各时
9、刻的含水率分布. 本文旨在利用对流扩散方程对渗透过程进行模拟.1.3对流扩散方程的介绍对流扩散方程是一类基本的运动方程, 通过对系统中某空间微元体进行物料衡算而得到. 它表征了流动系统的质量传递规律, 在能源开发, 工业生产, 流体力学和电子科学等领域都有广泛的应用. 求解此方程可得出浓度分布. 当扩散项的系数很小, 对流项的作用占主导地位时, 对应的对流占优的扩散方程的求解具有较大的困难. （6）切煤过程不发生渗透.（7）每次新加入的煤具有均匀的含水率.2.1.2问题分析和模型建立设深度 , 含水率 . 对于空间方向每个点 , 分析 时刻该点处的含水率变化. 主要的物理现象有两种:(1)水分
10、在重力, 阻力等作用下产生的对流;(2)水分由含水率高处往低处的扩散.因此, 考虑两种类型的正向流速(这里的流速是指含水率的变化速度, 正向表示沿着深度 的正方向):(1)对流速度 , 与该点的含水率 有关, 即 . 含水率越大, 流速越大; 且对流的方向为竖直向下, 因此 是 的单调递增函数. 设 与 成指数关系. 注意到, 当 时,. 一般情况下, 取具有如下形式的对流速度:(2)扩散速度 , 与该点处含水率在空间方向的变化率 ( )有关, 即 .(a) 一方面, 当 (即含水率随深度的增大而增大)时, 扩散方向为竖直向上, 沿深度的负方向, 则 ; 类似地, 当 时,; 因此,与 符号相
11、反.(b) 另一方面,越大, 则扩散速度越快, 因此 是关于 的单调递增函数. 若 时扩散速度函数为 , 则当 时, 扩散速度为 , 即扩散速度 为关于 的奇函数.设 与 成指数关系. 注意到, 当 时,. 一般情况下, 取具有如下形式的扩散速度:由上面的分析,时刻 处的含水率变化可由如下的微分方程来描述:(1)可化为对流扩散方程鉴于假设(4), 整个过程与外界没有水分交换, 应采用第二类齐次边界条件2.1.3数值求解文献19主要针对灌溉入渗问题，利用对流扩散方程进行模拟，得到了可靠的模拟结果。然而19中讨论的是有水源的情况，我们需要探讨的是无水源的问题。 在确定参数和模型应用之前, 我们给出
12、几种情况的模拟结果, 对模型进行分析和解释. 设所考虑的煤的含水率临界值 . 设刚加入的煤的初始含水率为均匀值 . 取 ,.注1. 本部分的模拟仅用描述会发生的几种现象, 时间和空间方向的单位并非常用的国际单位; 若采用国际单位, 可通过调整对流和扩散速度得到相同的结果.(1)不加煤的情况首先采用纯对流模型和对流扩散模型分别进行仿真计算, 比较两者的结果.只考虑对流的情况. 取 , 即考虑对流速度为常数1, 且不考虑扩散. 空间步长 分别取10和1, 结果如图1. 从图上可以看出: 两种情况在区间 和 上的曲线基本重合, 说明能够达到精度. 而在区间 和 上的不同是因为空间步长的不同. 差别最
13、大的是在 处. 事实上,时, 空间步长较小, 计算更精确. 然而由于仅考虑了对流, 相当于整个渗透过程没有阻力. 因此, 当下边界与外界没有水分交换的时候, 水分在下边界(即最后一个节点)处堆积, 于是产生了图中所示现象:时 处堆积了 的多余水分.图1. 只考虑对流的情况注 2. 若只考虑扩散, 由于初始含水率为均匀值, 不发生扩散, 因此含水率不随时间变化.同时考虑对流和扩散的情况. 仍取对流速度 . 对于扩散系数, 取空间步长 分别取10, 1和0.1, 结果如图2. 从图上可以看出:和 的结果比较接近; 另外, 在考虑了扩散的情况下, 水分不再像例1一样只是在下边界处简单地堆积; 在一定
14、的误差允许范围下, 三者的结果都能较真实地反映实际情况.图2. 考虑对流和扩散的情况因此, 本文采用对流扩散模型进行仿真模拟.(2)加煤的情况模拟在原有煤(已发生渗透)的上层再加入新煤后的渗透过程. 取分成两种情况考虑: (1)原高度(即原深度)(2)加煤之后料位 , 高度(3)在原有数据的前端加入 的数据2.2.3流程整个程序的循环从上一次切煤结束时刻(或者初始时刻) 开始. 设切煤开始时刻 , 加煤时刻 . 设流程图：3模拟仿真3.1基于实验数据的参数确定及检验3.1.1基准对流速度和扩散速度首先, 利用实验所用煤的各参数以及所得结果, 确定基准参数和基准对流速度和扩散速度.选取DT-G,
15、 HZ-M, WR-C的实验数据做平均. 三者的初始含水率分别为8.61%, 8.12%, 7.99%, 平均为8.24%. 取初始均匀含水率为8.24%, 速度公式中的参数为实验中, 煤的总高度为2m, 即20dm. 取 , 计算 (660min). 将每隔1dm的结果列于表1.表1. 对实验数据的模拟.t(h)z(dm)1235791108.1828.1438.1168.0788.0528.0328.01818.2068.1678.1408.1018.0738.0538.03928.2228.1878.1608.1228.0948.0748.05938.2318.2028.1788.141
16、8.1148.0948.08048.2368.2158.1938.1588.1338.1148.10058.2398.2238.2058.1748.1518.1338.121 178.2488.2768.3018.3428.3738.3968.412188.2588.2948.3238.3698.4038.4288.447198.2758.3188.3508.3998.4368.4648.484208.3018.3488.3828.4358.4738.5028.5243.1.2考虑粒级以上模拟的过程中, 煤的粒度分布如表2.表2. 实验用煤的粒度分布.编号百分比尺寸(mm)<2.82.8
17、-2020-25>25YC-F53.9527.235.7113.11HZ-M41.9135.887.2115.00DT-G48.5344.714.851.91WR-C50.9427.297.0614.71XL-G32.5948.238.2410.94XL-G(破碎后)*31.8562.863.491.80设第 种煤中, 各种尺寸的所占比例和平均尺寸分别为 和 . 经推导, 所有煤种的平均尺寸为:以 为基准尺寸, 对应的速度为基准速度(记为 和 ), 临界时间和临界含水率为基准临界时间和基准临界含水率(分别记为 和 ).设实际考虑煤的平均尺寸为 , 与基准尺寸的比例为 . 鉴于粒子的平均尺
18、寸越大, 对流速度越大, 扩散速度越小, 故取对流速度和扩散速度与相应的基准速度的关系分别为: 88.6108.6058.5968.5778.5638.5538.54698.6108.6088.6038.5918.5838.5768.572108.6108.6108.6088.6058.6028.6008.598118.6108.6118.6148.6198.6228.6248.625128.6108.6148.6218.6348.6438.6498.653138.6108.6178.6298.6498.6648.6758.682148.6118.6228.6388.6678.6878.702
19、8.713158.6128.6308.6518.6878.7138.7318.744168.6158.6418.6678.7098.7408.7628.778178.6218.6568.6878.7358.7708.7958.813188.6328.6778.7118.7648.8038.8308.850198.6528.7038.7418.7988.8398.8688.889 (2)9:504910.308112.485510.627310.66(3)11:004910.268112.725510.637310.67(1) 确定需要考虑的渗透过程选取料仓H3的两组数据作为渗透过程的参考:抽样
20、时间料位(容积%) 水分抽样时间料位(容积%) 水分9:305911.619:508112.4811:005811.8211:008112.72差值90min0.2170min0.24取平均值, 设料位为 (%)的煤静止时间 min后, 最低( )处的含水率由 (%)增加到 (%). 此时煤的深度(也即高度) . 静止的前 min不发生渗透, 故渗透时间为 min.(2) 初始含水率经计算, 得到如下表:切出料位(%)245714原含水率(%)10.8810.4810.8812.0311.18含水率下降(%)0.060.180.280.420.56含水率下降比例(%)0.551.722.573
21、.495.01拟合含水率下降比例 与切出料位 (%)的关系为:此关系式仅用于 的情况, 则初始含水率选取为: 然后, 新加煤和切后余煤合并, 渗透 .和 时的渗透结果如图8-2.图8-2. 过程3.2(新加煤和原有煤高157dm, 共同渗透32min)的结果.过程4.(1) 切煤过程. 切煤速度 , 切煤结束时刻 . 切煤结束之后, 煤的深度为16dm.(2) 静止过程. 于 时加煤60%; 切煤再次开始时刻 . 此过程中,(i) 切后余煤静止50min, 其中渗透22min.(ii) 新加煤静止20min, 再次加煤时尚未发生渗透.因此, 切后余煤渗透22min, 结果如图9-1.图9-1.
22、 过程4.1(切煤之后原有煤的高度为16dm, 渗透22min)的结果.然后, 新加煤和原有煤合并, 结果如图9-2.图9-2. 过程4.2(新加煤和原有煤高158dm, 不发生共同渗透)的结果.4总结本文建立了基于一维对流扩散方程的水分渗透模型, 并采用有限差分方法进行求解, 用以模拟配合槽中煤炭的水分渗透过程. 另外, 还建立了配合槽中煤炭的增减模型. 利用实验数据和现场数据, 确定和验证了方程中涉及到的参数. 结果证明, 模型能够较真实地反映实际情况. 最后, 利用所建立的模型, 模拟了包含四个“加煤-渗透-切煤”的实际过程, 也证实了模型的可用性. 另外, 对于不同初始含水率的情况, 利用模型进行预测, 将结果列于附录中. 配煤槽水分分布模型的有限差分解法(9): 19 / 20