冶金工艺过程及材料数值仿真技术研究

    钢铁制造流程是一个涉及到高温的复杂物理化学反应过程。常规的水模型试验和冷态模型试验,很难完整地再现整个冶金过程中复杂的物理化学、电磁和应力变形、相变等现象。而高温的现场测试耗资量大,可测试的数据有限,准确性也难以保证。随着计算机技术和网络技术的发展,开展数值仿真研发已成为国内外研究冶金工艺过程和进行钢铁产品开发的一种有效和经济的研究手段,且这一发展趋势是不可逆转的。它不仅有助于洞察钢铁制造工艺过程和品种开发中的物理现象本质和规律,发展理论模型,提升创新能力;而且通过数值化实验,有助于以较少的费用和较短的时间,灵活地改进工程设计,降低原型的实验测试,加快研发周期。这对于投资大、周期长、难度高、高温现场测度较难的冶金工艺过程,特别是危险的、超越正常条件的、待开发的、不可见的或难以测试的冶金新工艺和新产品开发,进行先进钢铁工艺过程及材料的数值仿真研发的优点就更为突出。
    本研究方向主要是采用计算机数值模拟与仿真分析(CFD和CAE)的方法,结合冶金工艺工程,通过有限元、有限体积法或有限差分的数值求解方法(包括以下步骤:建立描述物理过程本质的数学模型、几何模型、控制方程离散和网格划分、边界条件处理、数值求解方法、模型校正、数据分析及图像处理等),进行跨学科的研究,对冶金中的单相(多相)流体流动、传热、动量传递、传质、相变和凝固、湍流、燃烧、电磁、应力和应变、化学反应等工程问题和物理现象进行仿真和分析,用以指导工程设计、优化工艺参数,揭示冶金制造工艺过程的本质、获取创新性知识、进行冶金新工艺流程和新产品开发等。

研究定位:

    致力于冶金工艺过程及材料的数学模型开发和共性技术的仿真平台建设,通过提供冶金工艺过程和新材料开发的整体数值解决方案,节省研发时间,降低试验成本,激发工程创新思想;借助数值参数化试验(或数字化实验),进行新工艺和新设计的有效性验证,探索开发新颖的、极富创新性的设计思路;通过数学物理方法来建立数值模拟揭示物理现象的本质,对真实现象进行精确描述;最终,用数值模拟技术引导和优化冶金新工艺和新产品过程的设计研发。

研究内容:

  • 耦合凝固模型开发(如常规连铸、近终形连铸、水平连铸、平面流铸法快速凝固、铸锻件凝固)

  • 电磁场作用的磁流体动力学及多场耦合模型开发 (如电磁制动、电磁搅拌、电磁感应加热和电磁感应熔炼)

  • 多相计算流体力学数学模型开发(如钢包精炼、气液两相流)

  • 冶金新工艺中多物理场热流耦合和化学反应现象的数值模拟 (如煤基转底炉直接还原过程模拟、竖炉直接还原过程的气固热流及反应模拟)

  • 钢铁材料精确加工成型过程中的应力与应变仿真计算、计算材料学等

研究目标:

  • 提供全面的冶金工艺过程和材料研发的数字化模拟平台;减少原型实验量,进行工艺放大和指导设计,从而节省现场测试的费用,缩短研发周期,加快研发进程,以数值模拟引领创意性的科学研究;

  • 与实验测试相结合,通过数值模拟手段,丰富和发展冶金理论及数值计算方法、明白冶金工艺过程的物理化学现象,推动数值仿真技术在冶金行业中的研发体系中的应用;

  • 通过数学模型开发,为企业提供高水平的数值模拟(CFD/CAE)工程和咨询服务,为工艺参数优化、设计改进和产品研发等提供一整套数值仿真解决方案,为客户创造可以量化的价值回报。

图8 部分开发的数学模型应用实例


联系人:刘和平
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电话:010-62182559
传真:010-62181302
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