1、论高炉冷却壁广义热力学优化引言高炉是高炉炼铁工序的核心设备，也是钢铁冶金生产流程,中的重要设备，其能耗巨大，而高炉炉墙的散热损失约占高炉能耗的左右。故研究高炉炉墙的传热性能优化炉墙结构对降低高炉本体能耗和节约冷却水资源具有重要意义。国内外很多学者对高炉炉墙开展了深入研究。宗燕兵等基于传热学理论对高炉铜冷却壁水管截面形状进行了优化，结果表明采用复合扁圆形水管可以改善传热和降低水量。李升龙建立了炉墙维等效简化模型，并给出了基于冷却热流量推测炉墙温度场和内衬侵蚀位置和的方法。李静等采用有限元法计算了铸钢冷却壁的温度场和应力场，并分析了高炉铸钢冷却壁冷却水管形状对冷却壁热面最高温度和热应力的影响。刘奇等采用热力耦合方法研究了铜层厚度和冷却水道间距对。

2、却壁沿高炉高度方向的高度。高炉冷却壁构形优化本文采用有限元法结合软件的工具箱对式所示的二维偏微分方程进行求解，并在式所确定的边界条件下，可求得炉墙的温度场与温度梯度分布，从而由式求得高炉炉墙的火积耗散率。对炉墙求解区域依次加密，直到第次加密获得的火积耗散率与第次获得火积耗散率满足式的控制精度由式可知，高炉炉墙的火积耗散率与冷却水管横截面占比和冷却水管轴比两个变量相关，在和定的情况下，以和为变量进行构形优化。并考虑冷却壁温度约束，即式中，和分别为冷却壁温度和冷却壁允许工作温度。本文取高炉炉身部分的炉墙作为研究对象。计算中耐火砖填料冷却壁填料和炉壳的厚度分别为，和，导热系数分别为。

3、形优化物理学报张寿荣武钢高炉长寿技术北京冶金工业出版社,基于火积耗散率最小的高炉冷却壁构形优化摘要基于构形理论，以火积耗散率最小为目标，对高炉冷却壁进行构形优化，得到高炉冷却壁最优构形。结果表明存在二次最佳轴比和最佳冷却水管横截面占比使得火积耗散率取得二次最小值，水管最佳横截面形状近似圆形，与常规结果相比，火积耗散率降低，炉墙整体传热性能有所提高炉墙内表面温度和冷却水温度的变化对冷却壁构形优化没有影响，但适当降低冷却水量提高冷却水温度可以降低火积耗散率和提高冷却壁的整体传热性能采用复合扁圆形水管冷却壁的炉墙的火积耗散率随着圆心距的减小而降低，采用圆形水管的冷却壁的整体传热性能优于采用复合扁圆形水管的冷却壁的整体传热性能。关键词构形理论火积理。

4、,当冷却壁横截面积和水管横截面积定时，有水管横截面占比定义为水管横截面积与冷却壁横截面积之比，即式中，为冷却水管的轴比，即为单块冷却壁所在炉墙的周向平均宽度，。本文采用经验公式计算冷却水与冷却壁的对流换热系数，由于该对流换热系数与流速相关，故在给定冷却水体积流量的情况下，可以结合式得到水速，从而得到与冷却水管横截面占比相关的冷却水管内表面对流换热系数，即冷却壁水管热损失式中，为冷却水管横截面包络线。炉壳热损失由式和可得高炉炉墙的火积耗散率为式中，为冷。

5、温度的关系。由图可知，给定时，二次最小值,相应的二次最佳最佳和最佳,不随的改变而改变，分别为和,陈林根构形理论及其应用的研究进展中国科学技术科学,魏曙寰,陈林根,孙丰瑞基于矩形单元体的以火积耗散最小为目标的体点导热构形优化中国科学辑技术科学谢志辉,陈林根,孙丰瑞以火积耗散最小为目标的横截面几何构形优化中国科学辑技术科学魏曙寰,陈林根,孙丰瑞以火积耗散最小为目标的电磁体多学科构形优化中国科学辑技术科学谢志辉,陈林根,孙丰瑞形肋火积耗散率最小与最大热阻最小构形优化的比较研究中国科学技术科学,冯辉君,陈林根,谢志辉,等基于火积耗散率最小的燃气涡轮叶片冷却构形优化机械工程学报冯辉君,陈林根,谢志辉,等基于火积耗散率最小的复杂肋片对流换热。

6、铜钢复合冷却壁温度及应力分布的影响，并在该基础上研究了铜钢复合冷却壁与铜冷却壁铸钢冷却壁的传热性能差异及其铜钢界面热应力分布。等建立计算高炉冷却壁三维传热模型，分析了冷却壁不同结构参数对冷却壁温度分布和热应力的影响，得到了冷却壁最优尺寸组合。等建立了高炉炉墙三维传热模型，分析了挂渣厚度煤气温度等参数对炉墙温度分布的影响。等,建立计算高炉冷却壁三维传热模型，对比分析了不同材质耐火砖对冷却壁温度场和热应力场的影响。等建立了高炉冷却壁三维传热模型，分析了内衬厚度冷却壁材质对冷却壁温度分布的影响。为了反映系统的整体传热性能，过增元等,提出了新的物理量火积文献曾称之为热量传递势容和新的传热优化理论依据及评判标准火积耗散极值原理。之后，很多学者基于火积。

7、和空气与炉壳的对流换热系数为高炉内径为单根冷却水管流量为冷却壁允许工作温度为炉墙内壁冷却水平均温度和炉外空气温度分别为和冷却壁整周块数为单块冷却壁水管数目为冷却壁高度为。在分析中，无特殊注明时，以上参数均保持假定值不变。图给出了和时，不同冷却水管横截面占比下高炉冷却壁火积耗散率与冷却水管轴比的关系。由图可知，给定时，存在最佳使取最小值,给定时，随的增大而增大。水管最佳横截面形状近似为圆形。图对与关系的影响图给出了和时，最小火积耗散率,和最佳冷却水管轴比与冷却水管横截面占比的关系。下标和分别表示火积耗散率次和二次最小化，和分别是相应的次和二次。

8、传递的总能力物理量火积式中，为物体的定容热容量，或为温度，即热势。由此得到单位时间单位体积内火积的耗散，即火积耗散函数式中，为热流密度矢量，是温度梯度。当控制体处于稳态时，火积耗散函数等于控制体内输入的火积,减去输出的火积,体点导热问题中，整个体积中的火积耗散率为式中，为控制体的体积。高炉冷却壁模型高炉横截面如图所示，该横截面处高炉内径为，炉墙由耐火砖填料冷却壁填料和炉壳构成厚度分别为和，热导率分别为和。冷却壁整周块数为，单块冷却壁水管数目为，各水管等间距沿冷却壁周向排列。炉墙内表面温度为，冷却水平均温度为冷却水与冷却壁的对流换热系数为，环境温度为空气对炉壳的对流换热系数为。。

9、化。由图可知，存在最佳和二次最佳使,取得二次最小值,最佳不受变化的影响。将所得最优结果与常规结果进行比较且时，，可知高炉炉墙的火积耗散率降低了，整体传热性能有所提升。图,和与的关系图给出了和时，不同冷却水平均温度下二次最小火积耗散率,与炉墙内表面温度的关系。由图可知，给定时，二次最小值,随着的增大而增大给定时，二次最小值,随着的降低而增大。因此，适当提高冷却水平均温度可以提高炉墙的整体传热性能，但不能无限提高，存在极限温度。图对与,关系的影响图给出了和时，不同冷却水平均温度下二次最小火积耗散率,相应的二次最佳水管轴比最佳水速,和最佳水管横截面占比与炉墙内表面。

10、博士，教授，博士生导师对形肋片进行了构形优化。冯辉君等以火积耗散率最小为目标，采用有限元法对燃气涡轮叶片进行了构形优化，得到整体传热性能最优的叶片最优构形。冯辉君等以基于火积耗散的当量热阻最小为目标，采用有限元法对复杂肋片进行构形优化，得到同时考虑肋片导热和对流换热火积耗散性能的肋片最优构形。目前，与高炉冷却壁相关的构形研究工作未见诸文献，和构形理论与火积理论相结合的高炉冷却壁研究工作更未见报道。本文将在文献的基础上，以导热和对流换热总火积耗散率最小为目标，采用文献,所采用的有限元法，对高炉冷却壁进行构形优化，得到高炉冷却壁最优构形，并与常规结果进行比较。所得结果将对高炉冷却壁的设计具有指导意义。火积耗散的定义过增元院士定义了物体所具有的热。

11、取炉墙的作为分析对象，考虑图所示的高炉炉墙的冷却壁模型，冷却水管的轴半径分别为和忽略水管壁厚度，冷却水管流量为。由于炉墙内径远大于其厚度，故可将其横截面简化为矩形。来自炉内煤气的热流被炉墙内表面接收，并通过冷却水管冷却水的对流换热及高炉外空气的对流换热达到冷却炉墙的目的。图高炉炉墙的冷却壁模型炉墙横截面单块冷却壁冷却壁四分之由于图具有对称性，故只需考虑如图所示的高炉冷却壁的即可。本文不考虑炉墙沿高度方向的参数变化，则图所示冷却壁模型可以简化为二维情形。高炉炉墙的二维热传导方程为高炉炉墙内表面边界条件为式中，为高炉内壁温度。炉壳外表面边界条件为式中，和分别为炉壳外表面温度和周围空气温度为空气与炉壳的对流换热系数。冷却水。

12、论对系列的传热优化问题进行了深入研究。美国大学教授经过对城市街道网络格局的形成和发展进行模型建立和数学分析后，提出了构形理论。之后，大批学者结合构形理论与火积理论，对些传热优化设计问题进行了深入研究,。魏曙寰等首先将火积理论引入到体点导热的构形优化，采用解析方法以火积耗散率最小为目标对矩形单元体进行了构形优化。些学者则进步采用数值计算方法对传热问题进行构形优化。谢志辉等采用有限元法以基于火积耗散的当量热阻最小为目标对以导热固体中包含开口横截面的两种情形进行了构形优化。谢志辉等采用有限元法以基于火积耗散的当量热阻最小化和最大热阻最小化为目标，基金项目国家重点基础研究发展计划项目国家自然科学基金批准号作者简介刘雄，男，博士生通讯作者陈林根，男，。

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