烧结矿类多孔介质湍流机理和传热传质规律研究

Heat and mass transfer in sinter ore-like porous media lies in metallurgy of iron and rare earth. Understanding its mechanism and computing it precisely are crucial to the design of the art, the art operation, the quality and the quantity of the production, and the integrated utilization of the waste heat. The project firstly investigates the turbulent flow of the porous media by the use of the PIV(Particle Image Velocity) and hot wire anemometer。It includes the flow transition and the evolution of the turbulent flow. Secondly, combining the high precise measurement of the drag force and heat convection, we try to understand the effect of the flow mechanism on the heat and mass transfer of the porous media. From this, the flow model of porous media is built so reasonably that the correct solution of the resistance and convective heat transfer coefficient will be derived theoretically. Lastly, the research results are used to the heat and mass transfer of the sinter ore.

摘要：在钢铁冶金和稀土冶炼工艺中，有许多烧结矿类多孔介质传热传质过程。对该过程的流动机制认识和精确计算决定着工艺前期设计是否合理、中期生产运行控制是否精准、后期产品产量和质量是否达标、以及废热的综合利用是否可行等。因此项目从决定多孔介质传热传质关键的湍流机制出发，应用PIV（Particle Image Velocity）和热线风速仪，通过多孔介质流动可视化实验探索其流动转捩及湍流演化的物理景象和规律。然后，结合高精度阻力损失和对流换热系数测试，通过多孔介质对流换热实验理解这种机制对多孔介质传热传质行为的影响。基于此，构建合理准确的多孔介质流动模型，通过理论和实验研究相结合得到具有准确和广泛适用性的多孔介质流动阻力和对流换热系数计算关联式。最后，通过烧结矿对流换热实验，将这些成果应用于烧结矿多孔介质传热传质计算中。

在钢铁冶金和稀土冶炼工艺中，存在许多烧结矿类多孔介质流动传热过程。对该过程的流动机制认识和精确计算决定着工艺前期设计是否合理、中期生产运行控制是否精准、后期产品产量和质量是否达标、以及废热的综合利用是否可行等。首先，项目结合PIV实验和管流、绕流及多孔介质流动和阻力的相似特征，获得了多孔介质孔隙结构特征并将多孔介质合理划分为层流区（Re<1，速度的1次幂）、类层流区（1<Re<50，速度的1.1次幂）、1.5次幂区（50<Re<300）、1.8次幂区（300<Re<1000）和粗糙区（1000<Re<200000，速度的平方），得到了各区的流动特征和阻力规律。这一成果对多孔介质传热传质机理提供了重要和深入认识，为多孔介质阻力难题的解决走出了重要一步。其次，基于上述研究，建立了8种多孔介质结构和流动模型：顺排模型、叉排模型、纯管流模型、纯球体绕流模型、五球叉排模型、双球管流模型、局部阻力模型、单球管流模型。利用传统理论和分形理论推导了8组理论阻力关联式、2个修正Ergun方程和2组对流换热分形理论关联式。其中有6个与Ergun方程相当，1个甚至更优。接下来，基于课题组的阻力和对流换热系数研究成果，建立了工业烧结矿冷却一维非稳态数学模型，编写了MATLAB计算程序，能够实现烧结矿冷却过程的模拟和工艺参数优化，该成果实际上还可以用于许多其他工业堆料的冷却或加热过程，如高炉铁矿加热、干熄焦、水泥篦冷机等等。最后，课题组收集了上百个多孔介质阻力和对流换热系数关联式，收集了自己测试和来自文献的上百组共千条阻力实验数据库，同时利用这些数据确定了目前常用和新获得的阻力公式的适用范围和精度。这些为进一步深入认识和研究多孔介质传热传质规律可以提供重要帮助，也可以为工业应用提供指导。