一种高炉布料颗粒运动轨迹的精细化预测建模方法与流程

本发明属于高炉炼铁无钟炉顶布料仿真与优化，具体涉及高炉无钟炉顶布料过程中炉料颗粒运动轨迹的模拟与计算方法。进一步地，本发明属于冶金工业自动化与智能化技术的重要组成部分，是计算机仿真技术与高炉炼铁工艺的交叉领域，具体用于高炉布料制度的设计和布料效果的预测。

背景技术：

1、高炉无钟炉顶布料操作中，炉料颗粒从料罐经中心喉管、旋转溜槽布入炉喉，在空域运动后堆积形成料面。精确计算颗粒的运动轨迹是预测落点位置、料面形状及料层结构的基础。现有轨迹计算方法主要存在以下不足：

2、（1）模型简化严重，三维复合运动刻画不足。早期轨迹模型多为二维简化模型，将炉料视为质点，忽略颗粒在溜槽上的三维复合运动，特别是无法准确刻画颗粒在同时进行旋转和倾动的溜槽上所受的科里奥利力和离心力作用，导致落点预测偏差较大。因此，如何建立考虑旋转-倾动耦合作用的三维颗粒动力学模型，实现复杂运动状态下颗粒轨迹的精确预测，是提高布料模型准确性的关键问题。

3、（2）阶段划分不系统，缺乏全流程力学建模。现有方法未将颗粒从阀口到料面的全过程进行系统分解，各个物理阶段的力学模型彼此孤立，缺乏统一的建模框架。例如，cn113656966b公开的高炉无钟炉顶在线布料模型仿真方法包括料流轨迹计算、料流宽度计算、堆角计算等步骤，但未对溜槽内复合运动进行精细化受力分析，缺乏对科里奥利力和离心力的系统考虑。

4、（3）现有技术方案仅通常针对特定结构的溜槽建立轨迹计算模型适配单一溜槽型式，未覆盖矩形、半圆形两种工业常用溜槽，适用性差。当溜槽结构形式发生变化时，需要重新建立运动模型，难以满足不同工业装备条件下的快速应用需求。

5、（4）煤气曳力影响常被忽略，空区运动精度不足。炉喉空区中存在上升煤气，对颗粒运动产生曳力和浮力作用，现有模型大多忽略这一影响，导致落点计算与实际情况偏差较大。尤其在煤气流速较高或炉顶压力、温度发生变化的工况下，煤气物性参数变化会进一步影响颗粒受力状态，使轨迹预测精度降低。

6、（5）缺乏瞬时流量、圆周偏析的量化计算方法，无法反映料流周向分布不均；现有方法通常关注颗粒最终落点位置，而缺少基于颗粒到达时间、空间分布以及方位角变化的动态布料状态分析方法，难以对布料过程中的瞬时流量变化和圆周方向偏析程度进行定量评价。

7、（6）料流宽度预测能力弱。传统方法往往仅计算单条颗粒轨迹代表整个料流，无法有效计算具有宽度的料流内外包络线，导致布料环宽度估计失真。由于未考虑炉料颗粒初始位置差异导致的轨迹离散特性，难以准确获得料流真实边界及布料区域宽度。

8、（7）多颗粒轨迹计算效率不足，难以满足在线实时仿真需求。现有轨迹预测方法通常采用cpu串行计算方式，当需要同时计算大量代表性颗粒轨迹以获取料流包络线、瞬时流量以及圆周偏析分布时，计算时间显著增加，难以满足高炉在线优化控制对实时性的要求。

9、（8）模型参数适应性不足，难以应对复杂生产工况变化。现有模型通常采用固定模型参数进行轨迹计算，当炉料类型、溜槽结构或装料系统发生变化时，需要人工重新调整相关参数，难以实现不同工况条件下模型参数的快速匹配和动态调整。

10、因此，亟需一种能够综合考虑颗粒从阀口下落、溜槽复合运动、空区气固耦合运动至料面落点全过程，并支持多轨迹计算、实时仿真及变工况自适应调整的高炉布料颗粒运动轨迹精细化预测方法。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的不足，本发明要解决的问题在于：现有高炉布料轨迹计算过程中存在的三维复合运动描述不足、不同物理阶段之间缺少连续统一建模、煤气流影响考虑不充分、料流宽度及圆周偏析难以准确量化、模型计算效率低以及难以适应不同生产工况变化的问题。

2、本发明的目的在于提供一种高炉布料颗粒运动轨迹的精细化预测建模方法，通过将运动过程系统分解为五个连续物理阶段，建立动坐标系下的力学模型，全面考虑科里奥利力、离心力和煤气曳力等因素，实现对颗粒空间运动的高精度数值求解，为布料仿真提供可靠的落点与料流宽度数据。

3、为实现上述发明目的，本发明将炉料颗粒从节流阀口至料面的运动过程依次分解为五个连续物理阶段，覆盖颗粒从出料到落料全生命周期。

4、本发明提供如下技术方案：

5、一种高炉布料颗粒运动轨迹的精细化预测建模方法，包括以下步骤：

6、s1、将炉料颗粒从节流阀口至料面的运动过程划分为五个连续物理阶段，依次为：阀口下落阶段、与溜槽碰撞阶段、溜槽内复合运动阶段、空区抛体运动阶段和料面落点计算阶段；

7、s2、在所述阀口下落阶段，计算炉料自节流阀口下落至溜槽表面的初始空间位置和初始速度状态；

8、s3、在所述与溜槽碰撞阶段，建立固联于高炉的静坐标系oxyz和固联于溜槽的动坐标系pxyz，基于法向/切向碰撞恢复系数和坐标变换矩阵，计算炉料与溜槽碰撞前后在所述静坐标系和动坐标系中的三维速度；

9、s4、在所述溜槽内复合运动阶段，通过坐标变换矩阵关联所述静坐标系和动坐标系，建立考虑溜槽旋转倾动复合作用的颗粒运动模型，在动坐标系中对颗粒进行受力分析，所述受力至少包括重力、溜槽支持力、滑动摩擦力、科里奥利力和离心力，建立二阶微分方程组，并采用数值积分方法求解，获得颗粒离开溜槽末端时的速度和空间位置；

10、s5、在所述空区抛体运动阶段，在静坐标系中对颗粒进行受力分析，所述受力至少包括重力、浮力、煤气曳力、压力梯度力和附加质量力，建立三维抛体运动方程，并根据颗粒运动状态判断与炉壁的碰撞情况，采用数值积分方法求解，获得颗粒在空区中的运动轨迹；

11、s6、根据所述颗粒运动轨迹求解颗粒最终落点，计算颗粒瞬时流量与圆周偏析，并基于多条代表性颗粒轨迹确定料流内外包络线，获得布料环宽度。

12、进一步，s1中所述五个连续物理阶段之间通过边界条件和状态变量传递实现连续衔接，具体包括：

13、在所述阀口下落阶段结束时，将炉料颗粒的速度矢量和空间位置坐标作为与溜槽碰撞阶段的输入条件；

14、在所述与溜槽碰撞阶段结束时，将碰撞后的速度矢量以及颗粒在溜槽中的初始位置坐标作为溜槽内复合运动阶段的输入条件；

15、在所述溜槽内复合运动阶段结束时，将颗粒的速度状态和位置坐标作为空区抛体运动阶段的输入条件；

16、在所述空区抛体运动阶段结束时，将颗粒的速度状态和位置坐标作为料面落点计算阶段的输入条件；

17、其中，通过坐标变换矩阵实现不同物理阶段之间状态变量的转换和连续传递，以保证颗粒运动轨迹计算过程中物理量的一致性。

18、进一步，s2中所述阀口下落阶段根据装料系统类型建立对应的炉料颗粒初始运动模型，具体包括：

19、对于串罐式装料系统，炉料颗粒从料罐经中心喉管进入旋转溜槽，根据炉料颗粒受到重力作用的自由下落过程，计算炉料颗粒到达溜槽入口处的初始位置和初始速度；

20、对于并罐式装料系统，炉料颗粒从中间漏斗进入竖直喉管，根据炉料颗粒与喉管内壁之间的碰撞作用，基于法向碰撞恢复系数和切向碰撞恢复系数计算碰撞后的速度状态，并根据所述速度状态计算炉料颗粒进入溜槽前的初始运动状态。

21、进一步，s3和s4中的所述动坐标系随溜槽复合运动而变化，所述溜槽复合运动包括：

22、绕静坐标系oxyz的oz轴以角速度ω1进行水平旋转，以及绕动坐标系pxyz中的自身py轴以角速度ω2进行倾动旋转；

23、根据所述水平旋转运动和倾动旋转运动建立静坐标系oxyz与动坐标系pxyz之间的坐标变换关系，所述坐标变换通过先绕oz轴旋转溜槽方位角β，再绕py轴旋转溜槽倾角α实现，其坐标变换矩阵表示为：

24、r＝roz(β)·rpy(α)

25、通过所述坐标变换矩阵，将炉料颗粒的位置坐标和速度矢量在静坐标系oxyz与动坐标系pxyz之间进行转换，以获得旋转和倾动复合运动状态下的颗粒运动状态。

26、进一步，s4中所述溜槽内复合运动阶段，基于所述动坐标系pxyz建立炉料颗粒动力学模型，并考虑溜槽旋转和倾动运动产生的惯性力作用，所述惯性力包括：

27、科里奥利力计算公式为：

28、fcor＝-2m(ω1v) -2m(ω2v)

29、离心力计算公式为：

30、fcen＝-mω1(ω1r) - mω2(ω2r)

31、其中m为炉料颗粒质量， v为炉料颗粒在动坐标系中的速度矢量，r为炉料颗粒在动坐标系中的位置矢量，ω1为溜槽水平旋转角速度，ω2为溜槽纵向倾动角速度。

32、进一步，s4所述溜槽内复合运动阶段适用于矩形截面溜槽和半圆形截面溜槽两种溜槽型式，并根据不同溜槽型式调整溜槽支持力的作用点位置和方向，具体包括：

33、对于矩形截面溜槽，炉料颗粒在复合作用力作用下沿溜槽长度方向向出口运动，并同时产生宽度方向的侧向偏移，所述颗粒在溜槽宽度方向上的运动通过侧向动力学方程进行求解；

34、当炉料颗粒偏移至与溜槽侧壁接触后，根据侧壁约束条件调整颗粒受力状态，停止求解侧向运动方程，使颗粒沿侧壁方向运动至溜槽末端并离开溜槽；

35、对于半圆形截面溜槽，所述溜槽支持力方向沿圆弧截面的径向方向指向圆心，炉料颗粒在溜槽截面内的位置通过极角参数进行描述，并根据所述极角确定颗粒在溜槽截面内的运动状态。

36、进一步，s5中所述空区抛体运动阶段建立炉料颗粒与炉喉煤气流之间的气固耦合运动模型，具体包括：

37、根据炉料颗粒与煤气流之间的相对运动状态计算煤气曳力，并基于颗粒雷诺数以及颗粒形状系数对曳力系数进行分段修正；

38、其中，所述曳力系数根据颗粒相对速度、煤气密度以及颗粒粒径进行动态调整，以修正煤气流对炉料颗粒运动过程的影响；

39、根据炉料颗粒与煤气流之间的加速度关系引入附加质量力修正项，并根据煤气密度以及颗粒形状系数确定附加质量力对应的修正参数；

40、通过所述颗粒-煤气耦合运动模型获得考虑煤气流作用后的炉料颗粒空区运动轨迹。

41、进一步，s6中通过颗粒单位时间落点分布计算瞬时布料流量和圆周方向分布状态，具体包括：

42、根据单位时间内到达料面的颗粒数量或质量分布，计算不同方位角β对应的瞬时布料流量q(β)；

43、基于所述瞬时布料流量q(β)与平均布料流量q0之间的比值，建立圆周方向分布系数：

44、ψ(β) = q(β)/q0

45、当ψ(β)偏离预设均匀分布值1.0超过预设阈值时，判定对应方位角区域存在圆周偏析，输出偏析区域和偏析程度，以指导操作人员进行倒罐操作或调整溜槽旋转方向。

46、进一步，s6中通过计算多条代表性颗粒轨迹确定料流内外包络线以及布料环宽度的步骤包括：

47、在节流阀出口处选取多个不同横向起始位置，分别根据各横向起始位置对应的颗粒初始状态计算颗粒运动轨迹，获得多个颗粒轨迹对应的料面落点半径集合；

48、根据所述料面落点半径集合确定料流内侧边界轨迹和外侧边界轨迹，其中，将落点半径最小值对应的颗粒轨迹确定为料流内侧边界轨迹，将落点半径最大值对应的颗粒轨迹确定为料流外侧边界轨迹；

49、根据所述料流内侧边界轨迹和外侧边界轨迹在径向方向上的距离差确定布料环宽度。

50、进一步，s3至s6中涉及的多条颗粒轨迹计算采用并行计算加速策略，具体包括：

51、将多个代表性颗粒轨迹计算任务划分为多个并行计算任务，并分配至多个并行计算单元，使各并行计算单元分别执行对应颗粒从阀口下落阶段至料面落点阶段的轨迹计算；

52、在轨迹计算过程中，对各物理阶段产生的中间状态变量进行高速缓存，以减少重复数据访问，提高多颗粒轨迹计算效率；

53、对各并行计算单元输出的颗粒轨迹计算结果进行汇总处理，并根据所述计算结果执行料流内外包络线确定、瞬时流量计算以及圆周偏析分析。

54、进一步，还包括变工况条件下颗粒运动轨迹预测模型的动态自适应调整步骤，具体包括：

55、建立模型参数库，存储不同炉料类型、溜槽型式和装料系统下的关键模型参数组合；

56、当输入工况发生变化时，根据当前炉料类型、溜槽型式以及装料系统参数，从所述模型参数库中匹配并更新对应的模型参数；

57、在所述空区抛体运动阶段，根据实时采集的炉顶压力和温度参数，对煤气物性参数进行动态调整，所述煤气物性参数至少包括煤气密度和动力粘度；

58、基于更新后的模型参数重新计算炉料颗粒运动轨迹，并输出对应工况下的轨迹预测结果。

59、一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述任一项所述的方法。

60、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法。

61、本发明的有益效果在于：

62、1）全流程精细化建模：将颗粒运动全过程系统分解为五个连续物理阶段进行三维建模，模型粒度更细，各阶段的力学模型相互衔接、完整统一，精度显著高于现有二维简化模型。

63、2）动坐标系与坐标变换的引入：在溜槽内复合运动阶段建立动坐标系，全面考虑了科里奥利力和离心力的影响，解决了传统模型因忽略旋转惯性力而导致落点偏差大的问题。坐标变换方法将复杂的空间旋转运动分解为绕固定轴的旋转，大幅简化了力学方程的建立。

64、3）多溜槽型式的适应性：同时适用于矩形溜槽和半圆形溜槽两种常见溜槽型式，具有更强的工业适用性。

65、4）炉料空区运动受力的精细化考虑：在空区抛体阶段引入了煤气曳力、浮力、压力梯度力和附加质量力模型，提升了空区运动和落点计算的精度。

66、5）料流宽度的准确预测：通过多条代表性颗粒轨迹计算料流内外包络线，能够准确预测布料环宽度，可量化圆周偏析与瞬时流量，为后续料面堆积计算提供了可靠的落点分布依据。

67、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。