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，材料科學與工程學院，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——概念的理解是學習過程的關(guān)鍵之關(guān)鍵，能夠達到舉一反三的理解才算真正到位；2.應用既是過程也是目的——知識的應用是鞏固學成的過程，也是最終學成的目的；3.自學是大學學習的本質(zhì)特征——訓練和強化自學能力是大學生涯最根本的任務，但事實是大部分學生到研究生階段仍然沒有好的自學能力和自學習慣，請記?。簭默F(xiàn)在開始系統(tǒng)培養(yǎng)自己的自學能力還為時未晚；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)學和物理模型，冶金工業(yè)出版社，1992蕭澤強，朱苗勇著，冶金過程數(shù)值模擬分析技術(shù)的應用，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》《鋼鐵冶金原理》《流體力學》《數(shù)值分析》《計算機編程》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)學描述3學時6學時15學時6學時另外加上6學時的課外計算機實驗學時。導熱問題數(shù)值模擬對流與擴散數(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其它興趣數(shù)學描述緒論2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——目錄基本概念1數(shù)學模型的分類2數(shù)學模型建立方法和步驟3數(shù)學模型的作用與意義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立的物質(zhì)處理單元。數(shù)學模型Mathematicalmodel數(shù)學模擬Mathematicalmodelling數(shù)值模擬Numericalmodelling用數(shù)學語言描述實際現(xiàn)象通過數(shù)學模型對實際現(xiàn)象的描述和求解，實現(xiàn)對實際過程的數(shù)學再現(xiàn)需要計算機進行數(shù)值求解的數(shù)學模擬物理模擬2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——目錄基本概念1數(shù)學模型的分類2數(shù)學模型建立方法和步驟3數(shù)學模型的作用與意義4基本概念1數(shù)學模型的分類2舉例說明52025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學模型的分類數(shù)學模型研究對象的認識程度白箱模型黑箱模型灰箱模型又稱機理模型，根據(jù)物理或化學的基本原理建立的模型。依據(jù)冶金熱力學、動力學、三傳、應變等，建立常微分或偏微分方程（組），相應初始條件和邊界條件，進行數(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關(guān)系進行統(tǒng)計回歸，是經(jīng)驗模型，主要有人工神經(jīng)網(wǎng)絡、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)驗模型，冶金過程復雜，因素多，且形狀復雜多變，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)學模型的分類數(shù)學模型按過程狀態(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)學模型的分類數(shù)學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)學模型的分類數(shù)學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性的而定。統(tǒng)計模型Statistic隨機模型Stochastic2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——目錄基本概念1數(shù)學模型的分類2數(shù)學模型建立方法和步驟3數(shù)學模型的作用與意義4基本概念1數(shù)學模型的分類2舉例說明5數(shù)學模型建立方法和步驟32025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學模型建立方法和步驟初步研究數(shù)學模型程序?qū)崿F(xiàn)驗證？應用YesNoAnalysisFormulationSolutionInterpretationVerificationApplication2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學模型建立方法和步驟初步研究數(shù)學模型程序?qū)崿F(xiàn)驗證？應用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、建模方法；梳理階段。確定目標，限定過程現(xiàn)象，據(jù)此進行參量分析、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，進行理論依據(jù)的選取，根據(jù)文獻收集，進行合適的數(shù)學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)學模型建立方法和步驟數(shù)學模型初步研究程序?qū)崿F(xiàn)驗證？應用YesNo關(guān)鍵屬性。數(shù)學模型是數(shù)值模擬的關(guān)鍵和核心；三個步驟。數(shù)學模型的建立可以分成三個步驟：(a).分解，將復雜的冶金反應過程分解為流體流動、傳熱、傳質(zhì)和化學反應等基本單元過程；(b).簡化，通過一系列假設(shè)對問題進行合理簡化，簡化原則包括：抓住主要矛盾而不失真實性，滿足應用的精度要求，適應當前實驗條件，以便進行模型識別和參數(shù)估算，適應現(xiàn)有計算機能力；(c).推導，基于上述分解和假設(shè)，開始對所有的數(shù)學表達進行具體推導，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)學模型建立方法和步驟程序?qū)崿F(xiàn)初步研究數(shù)學模型驗證？應用YesNo前提條件。數(shù)學模型、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，進行簡單編程實現(xiàn)；采用專業(yè)軟件進行求解，如流場計算采用Fluent、CFD等進行計算，有限元分析采用Ansys進行計算等；“計算機實驗”。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實驗，因為其中所有的參數(shù)都可以隨心所欲地進行調(diào)節(jié)（比如將研究對象溫度從100K升高到2000K，不必擔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)學模型建立方法和步驟驗證？初步研究數(shù)學模型程序?qū)崿F(xiàn)應用YesNo重要意義。把模型計算結(jié)果與實際反應器或模擬實驗的實際現(xiàn)象的操作結(jié)果數(shù)據(jù)進行比對，檢驗模型的合理性和實用性；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，則必須詳細分析原因，可能的原因包括：

程序錯誤、參數(shù)估值不準確、模型本身問題和測試問題，根據(jù)具體原因進行相應修改，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)學模型建立方法和步驟應用初步研究數(shù)學模型程序?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和完善；實驗性。在模型正確的基礎(chǔ)上，可以做進一步的“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格按照這樣的步驟進行，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)學模型的分類2數(shù)學模型建立方法和步驟3數(shù)學模型的作用與意義4基本概念1數(shù)學模型的分類2舉例說明5數(shù)學模型建立方法和步驟3數(shù)學模型的作用與意義42025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學模型的作用與意義數(shù)學模型優(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、反應機理的認識，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；幫助評估中試廠或?qū)嵨镌囼灲Y(jié)果和進行比例放大；在一定條件下，可替代中試廠或現(xiàn)場實物進行開發(fā)性試驗，以節(jié)省費用等。2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——數(shù)學模型的作用與意義

運用數(shù)學的多少是一門科學成熟程度的標志。馬克思2025/1/3冶金數(shù)值——緒論——目錄基本概念1數(shù)學模型的分類2數(shù)學模型建立方法和步驟3數(shù)學模型的作用與意義4基本概念1數(shù)學模型的分類2舉例說明5數(shù)學模型建立方法和步驟3數(shù)學模型的作用與意義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——舉例說明寶鋼集團不銹鋼事