阳极焙烧及其热工过程的数学分析与仿真 -中南大学出版社

阳极焙烧及其热工过程的数学分析与仿真

【作者】：殷志云
【出版时间】：2007-07
【字数】：206（千字）
【定价】：￥25.00（元）
【出版社】：中南大学出版社
【ISBN】：978-7-81105-580-1
【页码】：261（页）
【开本】：32开

随着科学的进步，炼铝的研究十分活跃。炭阳极作为铝电解槽的“心脏”我国阳极的质量标准还不够完善，一旦这些阳极运用到生产中，就会造成阳极局部过热、电流分布不均匀、阳极掉块、阳极掉渣等，对铝电解生产的电流效率和能耗有重大的影响。本书主要是研究了阳极焙烧炉内“四场”耦合仿真问题，研究了多长关联的性质和量值估量。建立阳极焙烧及其热工过程中的基本方程组。研究了进步不生产高质量阳极的方法。对热工微分方程求取近似解，并对电脑自动实现进行应用研究。本书研究对阳极生产发展具有重要的现实意义。本书是理工结合、学科交叉、应用数学进一步走向热能工程科技创新的一种新尝试。

第1章概述

1.1 国内外阳极生产发展与研究现状

1.1.1 国际阳极工业近年状态

1.1.2 焙烧原理

1.1.3 焙烧的工艺制度

1.1.4 焙烧工序

1.1.5 环式炉焙烧工艺

1.2 国内在提高阳极质量方面的研究

1.3 生阳极在焙烧过程中的物理-化学变化

1.4 制品质量的理论分析与综合技术

1.4.1 有关原料

1.4.2 生产工艺分析

1.5 影响焙烧制品质量的因素

1.5.1 焙烧体系中气氛的影响

1.5.2 压力的影响

1.5.3 加热制度的影响

1.5.4 填充料的影响

1.6 升温与冷却速度对焙烧后制品质量的影响

1.6.1 挥发物析出量与升温速度的关系

1.6.2 焦炭密度与升温速度的关系

1.6.3 热应力与毛坯的平均温度

1.7 焙烧温度对制品性能的影响

1.7.1 焙烧温度对孔隙度的影响

1.7.2 焙烧温度对比电阻的影响

1.7.3 焙烧温度对抗压强度的影响

1.7.4 焙烧温度对预焙阳极电解消耗的影响

1.7.5 焙烧温度对预焙阳极被空气氧化速率的影响

1.7.6 焙烧温度对预焙阳极被二氧化碳气体氧化速率的影响

1.7.7 焙烧温度对预焙阳极反电动势的影响

1.8 动量、热量、质量传输过程模型的表述

1.8.1 一维传递机理

1.8.2 通用微分方程组

1.8.3 湍流计算的双微分方程模型

1.9 本章小结

第2章阳极焙烧炉燃烧室数学模拟

2.1 焙烧室中流体流动的数学描述

2.2 焙烧室中传输过程的基本方程

2.3 源项表达式

2.3.1 化学反应率

2.3.2 能量方程的源项

2.3.3 动量方程的源项

2.4 数学模型的引入

2.4.1 k-ε-f-g方程

2.4.2 PDF(概率密度分布函数)模型

2.4.3 火焰传热过程的基本方程

2.5 本章小结

第3章基本方程的数值理论与计算

3.1 方程的离散化

3.1.1 泰勒级数展开

3.1.2 变分法

3.1.3 权余法

3.1.4 控制体法

3.2 差分方程的系数

3.2.1 时间导数项和源项

3.2.2 总通量项

3.2.3 非定常差分方程的显式和隐式

3.2.4 差分方程的系数

3.3 网格理论与有限差分

3.3.1 非均匀网格中函数的导数

3.3.2 不稳定态问题的有限差分方程

3.4 有限元法在阳极焙烧室中的应用

3.5 阳极焙烧燃烧室火焰传热过程的数值计算

3.5.1 三维空间的热流法数值计算

3.5.2 三维空间辐身换热的概率模拟

3.6 本章小结

第4章混沌、分形及其现象分析与应用研究

4.1 混沌的基本知识

4.1.1 混沌的发展与简史

4.1.2 神经网络、模糊分析和混沌理论

4.1.3 混沌在智能信息处理中的应用

4.1.4 铝工业经济混沌现象分析及其模型研究

4.2 分形的基本知识

4.2.1 分形的发展与简史

4.2.2 分形空间与分形维数

4.2.3 仿射变换与收缩映射

4.2.4 分形插值

4.3 动力学系统

4.3.1 动力学系统的定义

4.3.2 耗散系统与保守系统

4.3.3 混沌Lorenz系统的控制研究

4.4 奇异吸引子

4.4.1 Lorenz吸引子

4.4.2 奇异吸引子

4.4.3 混沌用于化学动力学系统中

4.5 混沌和混沌状态的判断

4.5.1 几个常用的判断方法

4.5.2 定性观察混沌现象

4.5.3 李雅谱诺夫特征指数

4.6 计算机模拟与优化算法

4.7 神经网络法

4.8 热混合层中温度脉动的分形特征

4.9 分形空间中的有限元法与逼近法

4.10 分形插值曲面及其维数

4.10.1 分形插值曲面计算公式

4.10.2 分形插值曲面维数定理

4.11 讨论

4.11.1 有序与混沌的区别问题

4.11.2 由规则向不规则的过渡

4.12 本章小结

第5章阳极焙烧炉全息检测系统

5.1 检测系统方案

5.1.1 开发目的与意义

5.1.2 系统设计方案

5.2 通用计算机软件CFX的研究

5.2.1 CFD计算机程序的种类和特点

5.2.2 CFX4的性能简介

5.2.3 CFX4程序框架系统简介

5.2.4 CFX的核心技术分析

5.3 本章小结

第6章现代炉窑的研究热点与碳阳极焙烧炉燃烧室的四场耦合仿真

6.1 碳阳极焙烧炉物理模型

6.2 数学模型

6.3 气体湍流的扩展k-ε模型

6.4 有限差分法的进一步应用与差分方程的稳定性

6.5 消去压力的做法

6.6 仿真和优化过程

6.6.1 边界及初始条件与网格划分

6.6.2 计算和分析

6.7 现代炉窑研究的热点——从简单模拟到全息仿真

6.7.1 从简单模拟到全息仿真及其全息仿真的

6.7.2 全息仿真数学模型与多场耦合问题

6.8 结论与建议

第7章对生产高质量阳极的进一步设想

7.1 填充料的制备和使用方法应引起足够的重视

7.2 关于阳极焙烧过程的最佳化问题

7.3 优化焙烧工艺条件, 向“三高两低”靠近

7.4 碳素焙烧炉的改进建议

7.5 烟气净化与余热利用

7.6 对阳极质量标准的探讨

7.6.1 阳极的CO₂反应性指标

7.6.2 阳极的空气氧化性指标

7.6.3 空气渗透率

7.6.4 关于阳极的热特性指标

7.7 本章小结

第8章现代数学方法在求解热工微分方程近似解中的进一步应用

8.1 Lindstedt-Poincare方法

8.1.1 渐近序列和渐近展开式

8.1.2 正则摄动与奇异摄动

8.1.3 Lindstedt-Poincare方法的基本思想

8.1.4 Lindstedt-Poincare方法的机器实现

8.1.5 关于主函数和子函数的说明

8.2 多重尺度法

8.2.1 多重尺度法的基本思想

8.2.2 多重尺度法的机器实现

8.3 平均化方法

8.3.1 Krylov-Bogoliubov技巧

8.3.2 Krylov-Bogoliubov-Mitropolsky技巧(230)

8.4 Lie变换自动实现的研制(232)

8.4.1 Lie变换平均方法(232)

8.4.2 Lie变换正则系统(242)

8.5 本章小结

参考文献

随着科学的进步, 炼铝的研究十分活跃。在我国铝电解工业发展的历程中, 科学家们做了大量的研究, 相关论文一篇接一篇地发表, 新技术、新理论、新材料不断涌现, 极大地推动着我国铝工业的发展。然而我国铝电解工业的整体技术水平和生产指标与国际先进水平相比差距仍然很大, 特别是在改进碳阳极与阴极质量方面, 在我国还有很大潜力可挖。碳阳极是铝电解槽的“心脏”, 我国的碳阳极质量标准还不够完善, 一旦这些阳极应用到生产中, 就会造成阳极局部过热、电流分布不均、阳极掉块、阳极掉渣等, 对铝电解生产的电流效率和能耗等影响巨大。就铝电解对阳极质量的要求而言, 要求生阳极的焙烧过程要有均匀的温度和合理的热工制度, 所获得较小的温差, 准确控制升温, 其中温度曲线是热工制度的核心。长期以来, 相关的数学模型只是在形式上进行单一的模拟, 以解析方法为手段的经典燃烧理论只能在大量的简化的基础上得到定性的关系, 热工方程的近似周期解不能收敛, 渐近展开式解失效, 从定量上反映不出其温度分布, 燃烧装置的设计也主要靠实验。这是因为: 我国对阳极焙烧与阳极焙烧炉燃烧室还没有系统地、综合地进行数值模拟, 缺乏对十分复杂的热工现象及其内部的系统分析, 对非线性系统中流体流动与传输过程缺少系统的数值理论与计算, 因而不可能对阳极焙烧炉内的温度场、流场、浓度场和燃烧释热场进行全息检测与耦合, 直接影响了焙烧制品质量性能。就是在这种背景下, 中南大学梅炽教授为领导, 组成了理工结合课题研究小组。课题组成员有数学硕士、自动控制研究生、网络教师与热能工程和有色冶金专家。通过实地考察, 下厂调研, 承担项目, 在线检测和寻优实验, 结合现代工业炉窑热工工艺过程, 以白银铝厂、青铜峡铝厂、青海铝厂(注: 采用2000年的数据资料)等一系列的研究课题为基础, 梅炽教授和他的课题组, 大力推进了现代数学分析方法在阳极焙烧及其热工过程研究与开发中的应用工作。

作者所在的研究所(中南大学热工设备仿真与优化研究所)已具有多年从事工业炉窑计算机仿真与优化、改造的经验, 研究所成员大都是具有高级职称或学历的教师, 并且在此方面多次荣获国家级奖励。研究所已拥有工业炉窑测试和实验所需的大部分仪器和设备, 拥有世界一流的计算流体力学软件, 是CFX4.2软件中国办事处培训基地和软件开发应用中心, 能随时了解计算流体力学国际发展动态等。

作者是粉碎“四人帮”后恢复高考的第一届大学毕业生, 1984年获硕士学位, 1989年出国留学, 主要从事应用数学和有色代数(color algebra)理论研究, 1991年回国被聘为副教授, 1993年破格评为教授, 是中南大学(原中南工业大学)的硕士生导师, 并作为博士生副导师协助蔡海涛教授指导过数学方面的博士生。

本书通过详细分析国内外阳极焙烧及生产发展现状, 实现对炉温在线检测动态曲线的在线显示、碳块中心温度计算, 为焙烧炉热流流动提供了与经典方法相比更合理的结果。本书还从新的研究视角入手, 强化热工过程的整体性、统一性和信息的全面性, 提出了提高生产阳极质量和产量、延长炉室寿命、降低能耗与排放量的若干建议与方案。

本书的主要研究内容有:

(1) 通过详细分析国内外阳极工业发展研究现状, 阐述生阳极在焙烧过程中的变化过程与影响焙烧制品质量的诸多因素及其对制品性能的影响, 解决阳极焙烧炉内“四场”耦合问题, 研究了多场关联项的性质和量值估算;

(2) 建立阳极焙烧及其热工过程中的基本方程组;

(3) 用混沌、分形理论描述和研究动力学系统和非线性系统, 解决传输过程的一些实际问题;

(4) 为提高和稳定焙烧阳极质量, 进行了建立阳极焙烧炉的计算机全息监控系统及工程的应用研究, 提出优化决策支持系统功能和管理信息系统功能;

(5) 研究进一步生产高质量阳极的方法;

(6) 对热工微分方程求取近似解, 并对电脑自动实现进行应用研究。

本书的重点放在数学模型、全息仿真监控与现代数学分析方法的应用上。目前, 对阳极焙烧与热工过程、燃烧理论、焙烧技术的研究正呈现出迅猛发展的势头。

本书研究的目的除上面所述原因之外, 还旨在给出现代数学分析方法在阳极焙烧与热工过程中应用的具体途径, 并为求解热工微分方程近似解提供具体方法和计算技巧, 从而构建出近似恒等变换式。

本研究课题与内容对阳极生产发展具有重要的现实意义, 对分析制品质量的理论与定量关系及其综合技术具有直接的指导作用。在这些工作的基础上, 依据数学方法和原理, 探索全息仿真与寻优实验技术, 将热工过程“宏观功能”与“微观机理”结合, 清楚地揭示了阳极焙烧炉“四场”密切关联的耦合作用, 取得了优化与决策的良好效果, 为提高阳极质量和产量、降低能耗、加强环保进行了大胆探索。本书是理工结合、学科交叉、应用数学进一步走向热能工程科技创新的一种新尝试。

作者

2006.4