[发明专利]一种钢液中颗粒移动的预测方法

权利要求书

1.一种钢液中颗粒移动的预测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、收集所要研究钢液中颗粒的物性参数，包括颗粒密度，钢液粘度；

步骤2、根据收集的颗粒的物性参数以及流场的控制方程和颗粒的运动方程，计算颗粒的动力学参数，得到预测钢液中颗粒运动的数值模型，具体方法为：

步骤2.1、采用D2Q9模型和BGK近似计算流场的控制方程；

在钢液流动过程中，通过LBM将钢液流动过程分解成节点碰撞和迁移两个过程分别进行计算，利用D2Q9模型来保证钢液流动过程在宏观上的各向同性；

步骤2.2、通过颗粒在钢液中的速度计算颗粒的运动方程，即得到预测钢液中颗粒运动的数值模型；

步骤3、根据步骤2得到的预测钢液中颗粒运动的数值模型，设定初始值，确定边界条件以及各控制条件，计算得到钢液中颗粒运动的结果，再将颗粒的运动结果转化为更为直观的图像形式，显示颗粒在钢液中的运动；

步骤2.1所述钢液流动过程中的节点碰撞过程如下公式所示：

其中，f_k()表示节点的动量分布函数，下标k表示九个方向分量，k＝0～8，x为节点的位置坐标，t表示时刻，Δx表示LBM模型中格子长度，Δt表示时间步长，ω为松弛频率，τ为松弛时间，为平衡分布函数，由下式得到：

其中，dx，dy分别表示节点横向和纵向的移动距离，u＝ui+vj，u，v分别表示节点(i,j)的横向速度和纵向速度，i、j分别表示x、y方向的单位向量，w_k为权重因子，ρ(x,t)表示t时刻LBM模型中格子的密度；

对于钢液中的固液边界，采取无滑移的反弹格式，由下式表示：

其中，f_a、f_b表示方向相反的两个格子链，U_BC＝U_P+Ω_P×(X_S-X_P)表示固相颗粒的移动速度，U_P和Ω_P分别是固相的平移速度和转动速度，X_S表示固相节点的位置坐标，X_P表示固相重心位置坐标，e_k为反弹方向的单位向量，(X_S-X_P)表示固相节点位置与重心位置的距离；

完成碰撞部分的计算后，对得到的节点动量分布函数值沿运动方向进行迁移，更新整个计算域中节点的值，并在迁移之后施加相应的边界条件，完成流场的计算；所述相应的边界条件具体为：在移动边界采用周期性边界条件，在静止边界采用封闭边界条件。

2.根据权利要求1所述的一种钢液中颗粒移动的预测方法，其特征在于：所述步骤2.2的具体方法为：

钢液中颗粒的移动需要在求得相应的速度后求解颗粒运动方程；

首先求解在流动钢液中颗粒所受的合力G，合力G是在取得颗粒表面各点的受力后相加得到的，颗粒表面各点受力F(X_l,t)由下式得出：

其中，X_l表示节点位置；

然后再通过以下各式求得颗粒的平移速度U_P和旋转速度Ω_P：

以上各式中，Δv_l表示相变过程中的格子体积变化，M_P表示颗粒质量；

通过公式(5)，(6)，(7)分别求得扭矩T_T，加速度和惯性矩I_P，由此结果进一步求解颗粒的牛顿运动方程，得到预测钢液中颗粒运动的数值模型。