本發(fā)明涉及一種針對(duì)Acheson碳化硅合成爐的CFD模擬分析方法。

背景技術(shù)：

碳化硅具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好等優(yōu)越性能，廣泛應(yīng)用于功能陶瓷、高級(jí)耐火材料、磨料及冶金原料等領(lǐng)域。但目前工業(yè)上生產(chǎn)碳化硅大多條件簡(jiǎn)陋。

目前，CFD技術(shù)由于較高的精度和低廉的成本，得到了廣泛的使用，在冶金化工等領(lǐng)域利用CFD技術(shù)來(lái)優(yōu)化合成反應(yīng)器的技術(shù)迅速發(fā)展，但是國(guó)內(nèi)未見利用CFD技術(shù)對(duì)碳化硅來(lái)研究Acheson碳化硅合成爐的專利公開。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于CFD技術(shù)的Acheson碳化硅合成爐的模擬分析方法，以實(shí)現(xiàn)可以完整精確得到控制合成過(guò)程的最優(yōu)參數(shù)，且操作簡(jiǎn)單適用范圍廣。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了如下技術(shù)方案：

一種基于CFD技術(shù)的碳化硅合成爐模擬分析方法，包括如下步驟：

S1基于待處理的碳化硅合成爐，進(jìn)行CFD前處理；

S2基于CFD的前處理的結(jié)果，進(jìn)行CFD求解；

S3基于CFD的求解結(jié)果，進(jìn)行CFD后處理。

進(jìn)一步的，所述步驟S1，具體包括：

(1)針對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行簡(jiǎn)化假設(shè)，確定簡(jiǎn)化模型；

(2)設(shè)定物性參數(shù)，包括配合料的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和密度，然后定義邊界；

(3)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

進(jìn)一步的，所述步驟(1)，進(jìn)一步包括：

使用DesignMolder建模軟件，對(duì)碳化硅合成爐建立三維模型，并根據(jù)需要對(duì)模擬整體進(jìn)行簡(jiǎn)化處理：

(1)合成爐除頂部外，做密封處理；

(2)將熱源設(shè)置在爐體中心部位；

進(jìn)一步的，所述步驟(2)，進(jìn)一步包括：

通過(guò)反應(yīng)配合料的物性參數(shù)，設(shè)置邊界條件、物理模型并初始化流場(chǎng)。

進(jìn)一步的，所述步驟(3)，進(jìn)一步包括：

對(duì)熱源附近采用局部加密的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

進(jìn)一步的，所述步驟S2，具體包括：

實(shí)驗(yàn)室測(cè)定了不同溫度下的配合料物性參數(shù)值，通過(guò)擬合處理獲得各物性參數(shù)隨溫度變化的多項(xiàng)式函數(shù)，將其帶入模擬軟件中進(jìn)行設(shè)定，加載熱源功率，完成基本的參數(shù)及邊界定義后開始對(duì)碳化硅合成過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行求解分析。

進(jìn)一步的，所述步驟S3，具體包括：

對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，應(yīng)用后處理軟件得到碳化硅合成爐內(nèi)不同時(shí)刻爐內(nèi)溫度及壓力的分布情況、氣體流動(dòng)特性、配合料孔隙率對(duì)合成過(guò)程的影響，從而分析得出最適于生產(chǎn)的合成參數(shù)及改進(jìn)爐體設(shè)計(jì)方案。

本發(fā)明公開的一種基于CFD技術(shù)的碳化硅合成爐模擬分析方法，具有以下有益效果：

本發(fā)明通過(guò)對(duì)Acheson碳化硅合成爐內(nèi)傳熱傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行模擬，可以確定適合于合成過(guò)程的最佳供電參數(shù)，最適合生產(chǎn)的配合料的孔隙率。從而可以有效降低能耗、避免噴爐事故的發(fā)生。

附圖說(shuō)明

圖1(a)為本發(fā)明中Acheson碳化硅合成爐簡(jiǎn)化模型圖。

圖1(b)為本發(fā)明中Acheson碳化硅合成爐網(wǎng)格劃分圖。

圖2(a)-圖2(c)為本發(fā)明中Acheson碳化硅合成爐內(nèi)不同時(shí)刻溫度分布圖。

圖3(a)-圖3(c)為本發(fā)明中Acheson碳化硅合成爐內(nèi)不同時(shí)刻壓力分布圖。

圖4(a)-圖4(f)為本發(fā)明中Acheson碳化硅合成爐中不同孔隙率下爐內(nèi)溫度分布柱狀圖。

圖5為本發(fā)明中Acheson碳化硅合成爐中不同孔隙率下爐底最大壓力曲線圖。

其中：1-熱源，2-爐體

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例并參照附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

一種基于CFD技術(shù)的碳化硅合成爐模擬分析方法，包括如下步驟：

S1基于待處理的Acheson碳化硅合成爐，進(jìn)行CFD前處理；

S2基于CFD的前處理的結(jié)果，進(jìn)行CFD求解；

S3基于CFD的求解結(jié)果，進(jìn)行CFD后處理。

作為一種具體實(shí)施例，所述步驟S1，具體包括：

(1)針對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行簡(jiǎn)化假設(shè)，確定簡(jiǎn)化模型；

(2)設(shè)定物性參數(shù)，包括配合料的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和密度，然后定義邊界；

(3)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

作為一種具體實(shí)施例，所述步驟(1)，進(jìn)一步包括：使用DesignMolder建模軟件，對(duì)Acheson碳化硅合成爐建立三維模型，并根據(jù)需要對(duì)模擬整體進(jìn)行簡(jiǎn)化處理：

(1)合成爐除頂部外，做密封處理，認(rèn)為合成爐的氣密性和保溫性能良好；

(2)將熱源設(shè)置在爐體中心部位，且熱源的導(dǎo)熱性能良好；

作為一種具體實(shí)施例，所述步驟(2)，進(jìn)一步包括：通過(guò)反應(yīng)配合料的物性參數(shù)，設(shè)置邊界條件、物理模型并初始化流場(chǎng)。

作為一種具體實(shí)施例，所述步驟(3)，進(jìn)一步包括：對(duì)熱源附近采用局部加密的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

作為一種具體實(shí)施例，所述步驟S2，具體包括：實(shí)驗(yàn)室測(cè)定了不同溫度下的配合料物性參數(shù)值，通過(guò)擬合處理獲得各物性參數(shù)隨溫度變化的多項(xiàng)式函數(shù)，將其帶入模擬軟件中進(jìn)行設(shè)定，加載熱源功率，完成基本的參數(shù)及邊界定義后開始對(duì)碳化硅合成過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行求解分析。涉及的參數(shù)包括：(1)爐體保溫墻與空氣的換熱系數(shù)；(2)反應(yīng)中所涉及的物質(zhì)(SiO2、C、Si、SiC、CO)的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度物性參數(shù)。

作為一種具體實(shí)施例，所述步驟S3，具體包括：對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，應(yīng)用后處理軟件得到碳化硅合成爐內(nèi)不同時(shí)刻爐內(nèi)溫度及壓力的分布情況、氣體流動(dòng)特性、配合料孔隙率對(duì)合成過(guò)程的影響，從而分析得出最適于生產(chǎn)的合成參數(shù)及改進(jìn)爐體設(shè)計(jì)方案。

實(shí)例1：

1數(shù)值模擬

1.1幾何模型

以國(guó)內(nèi)工業(yè)實(shí)際碳化硅冶煉爐為原型建立幾何模型，其三維模型和網(wǎng)格劃分如圖1所示。熱源1設(shè)置在爐體2的中心部位。

1.2數(shù)學(xué)模型

激活能量方程，采用輻射DO模型，化學(xué)反應(yīng)采用組份傳輸模型，湍流模型為k-ε模型，對(duì)于配合料區(qū)域采用多孔介質(zhì)模型；

1.3系統(tǒng)邊界條件設(shè)置

基于FLUENT設(shè)定系統(tǒng)的邊界條件：

(1)熱邊界條件：對(duì)熱源的四個(gè)邊界類型設(shè)定為HOTWALL(熱邊界)，熱源表面負(fù)荷加載12W/cm²。

(2)保溫墻壁面條件：爐壁的邊界類型也設(shè)定為WALL(壁面邊界)，并設(shè)定壁面與空氣的換熱系數(shù)為0.8W/(㎡·K)。

(3)化學(xué)反應(yīng)加載：選擇完全預(yù)混的反應(yīng)模型，加載化學(xué)反應(yīng)，第一步設(shè)定反應(yīng)：SiO2+3C→SiC+2CO↑；第二步設(shè)定反應(yīng)：SiC→Si↑+C；

(4)多孔介質(zhì)設(shè)定：激活多孔介質(zhì)模型，可在孔隙率設(shè)置對(duì)話框設(shè)定不同孔隙率條件，來(lái)研究配合料不同孔隙率對(duì)合成過(guò)程的影響。

1.5物性參數(shù)的設(shè)定

將爐內(nèi)的反應(yīng)物假定為一種物質(zhì)(等效物質(zhì))，通過(guò)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)利用數(shù)學(xué)方法分別外推出其他溫度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)參數(shù)，再通過(guò)加權(quán)的方法分別得到等效物質(zhì)的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度，如表1～表3所示，將測(cè)定的物性參數(shù)帶入到FLUENT物性參數(shù)輸入對(duì)話框中。

表1合成爐等效物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)值(W·m^-1·K^-1)

表2反應(yīng)物料得比熱容C_P

表3合成爐內(nèi)配合料等效物質(zhì)的密度

2結(jié)果分析

2.1合成爐內(nèi)溫度場(chǎng)分析

圖2是Acheson碳化硅合成爐內(nèi)不同時(shí)刻溫度分布圖，從圖中可以看出熱量由熱源向外呈近似圓形向外擴(kuò)散，在上述爐型及配料比情況下，供電24h時(shí)熱源附近溫度達(dá)到1800℃碳化硅合成反應(yīng)開始進(jìn)行(研究表面碳化硅合成初始溫度為1800℃)，合成反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行從模擬云圖上可以看出供電36h時(shí)熱源附近溫度已經(jīng)達(dá)到2600攝氏度(即碳化硅分解溫度)，此時(shí)應(yīng)該控制供電功率，開始進(jìn)行停爐準(zhǔn)備。

2.2合成爐內(nèi)壓力場(chǎng)分析

圖3是Acheson碳化硅合成爐內(nèi)不同時(shí)刻壓力分布圖，從圖中可以看出，壓力最高處出現(xiàn)在供電24h左右，最高壓力集中在爐體底部位置。根據(jù)分析在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，此時(shí)就應(yīng)該降低供電功率避開壓力峰值，且增加爐體底部透氣性，從而避免噴爐事故的發(fā)生。

2.3配合料不同孔隙率下溫度及壓力分布特性

圖4為Acheson碳化硅合成爐中不同孔隙率下爐內(nèi)溫度分布柱狀圖。本發(fā)明通過(guò)設(shè)定不同的配合料的孔隙率可以得到不同孔隙率下的爐內(nèi)溫度分布區(qū)域比例圖，生產(chǎn)時(shí)需要將適合于碳化硅生產(chǎn)的溫度區(qū)域盡量過(guò)大，從圖中可以看出配合料的孔隙率越高適合碳化硅生長(zhǎng)的區(qū)域越小。圖5為Acheson碳化硅合成爐中不同孔隙率下爐底最大壓力曲線圖，從圖中可以看出爐內(nèi)最大壓力隨著配合料孔隙率的增加呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì)，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中除了要考慮溫度范圍外，也要保證壓力不要過(guò)大造成噴爐事故，通過(guò)綜合以上兩方面因素，考慮避開壓力峰值且保證適合碳化硅生長(zhǎng)的范圍最大化，根據(jù)模擬結(jié)果，考慮配合料孔隙率在30～32％之間比較合適。

3結(jié)論

本發(fā)明通過(guò)對(duì)Acheson碳化硅合成爐內(nèi)傳熱傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行模擬，可以確定適合于合成過(guò)程的最佳供電參數(shù)，最適合生產(chǎn)的配合料的孔隙率。從而可以有效降低能耗、避免噴爐事故的發(fā)生。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，而非對(duì)其限制；應(yīng)當(dāng)指出，盡管參照上述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，其依然可以對(duì)上述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或?qū)ζ渲胁糠只蛘呷考夹g(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改和替換，并不使相應(yīng)的技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。