Практика физического моделирования на металлургическом заводе

Гречко А.В., Нестеренко Р.Д., Кудинов Ю.А.

Металлургия, 1976 г.

Общие вопросы подобия и моделирования  гидроаэродинамических и массообменных процессов

Для промышленных металлургических агрегатов и устройств характерна сложная совокупность гидродинамических, тепловых, и химических процессов, сопровождающихся эндо- и экзотермическими реакциями, газовыделением, тепло- и массообменом, диффузией, адсорбцией и т. д. Эти явления, в конечном итоге, и определяют протекание технологического процесса.

Сложность процессов создает значительные трудности для изучения их закономерностей. Наиболее целесообразным представляется изучение в первую очередь тех процессов, которые и являются определяющими в общей совокупности. Так, известно, что эффективность нагрева металла в нагревательных колодцах, методических и других печах во многом определяется аэродинамикой их рабочего пространства; характер износа футеровки сталевыпускного желоба и сталеразливочного ковша зависит от гидродинамики потока металла и характеристик его струи; интенсификация работы металлургической ванны — это в первую очередь результат наиболее рациональной организации дутьевого режима, т. е. гидроаэродинамических и, как следствие, массооб-меиных процессов в ванне, и т. д.

Таким образом, во многих металлургических установках гидроаэродинамические и массообменные процессы играют решающую роль, а остальные процессы в какой-то мере зависят от них (например, тепловые, химические) или менее влияют на технологический процесс.

Наиболее простым и доступным методом изучения гидродинамики и массообмена является, как уже отмечалось, физическое моделирование. В свою очередь лабораторные условия дают возможность более полно и всесторонне изучать процесс, поскольку можно варьировать разнообразными факторами в широких пределах, а также наблюдать, фиксировать и воспроизводить изучаемый процесс. Теория подобия позволяет при этом-в определенных пределах и с известными допущениями распространять результаты модельных исследований на подобные производственные установки.

Основным требованием при моделировании является соблюдение возможно более полного подобия процессов на образце (натуре) и модели.

Анализом условий подобия различных процессов занимались и продолжают заниматься многие исследователи. При этом используются два распространенных метода— масштабных преобразований и анализа размерностей [2]. Однако независимо от метода все полученные и предлагаемые системы обобщения обычно сводятся к уже известным критериям подобия, их модификациям или комбинациям, так как исходные предпосылки при этом одни и те же: или система дифференциальных уравнений (с краевыми условиями), описывающих процессы,— при использовании метода масштабных преобразований, или набор размерных величин, существенных для данного процесса и обычно входящих в указанные уравнения и краевые условия,— при методе анализа размерностей. Последний метод применяют в тех случаях, когда изучаемый процесс не имеет достаточно полного математического описания.

Разумеется, чем полнее учтены факторы, определяющие процесс, тем более полные условия подобия получаются. Поэтому считается весьма полезным учитывать при анализе даже простые физические соображения [3], использовать максимум информации о процессе, «включая даже физическую интуицию» [4].

Ниже кратко и в наиболее простом изложении проводится такой анализ условий подобия гидроаэродипа-мических и массообменыых процессов.