描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787502466350
编辑推荐
结晶器内传输现象的数值仿真主要涉及高等数学、线性代数、偏微分方程、电磁学、流体力学、传热学、传质学和金属学等课程。虽然冶金专业学生在本科和研究生期间均系统地学习了上述课程，但是利用这些知识来解决实际冶金问题仍需一个长期的融合过程。当前，我国冶金工程技术人员及研究生们都迫切希望缩短各学科知识融会贯通过程，尽快地高质量完成各自的科研任务。另一方面，虽然国内外冶金工作者针对结晶器进行了大量的研究，取得了重要进展，发表了大量论文，但结晶器冶金的复杂性导致不同学者仅针对结晶器某一部分领域开展工作，无法窥其全貌。而且迄今尚无一本完整、系统地阐述结晶器冶金过程数值仿真的书籍。因此，作者在国内外冶金学者的研究基础上，总结了自已在结晶器冶金方面的研究心得，并经多年教学实践，撰写成本书，希望本书的出版能对揭示结晶器冶金的复杂性起到抛砖引玉的作用。
内容简介
本书阐述了动量、热量和质量传输基本规律在结晶器冶金学中的应用。从物理学基本理论出发，建立了湍流输运的通用微分方程组，给出了冶金传输控制方程组的起源和前提条件，系统地介绍了控制体积法原理和关键求解过程，并结合结晶器内传输行为特点，介绍了结晶器内钢液流动、凝固和溶质偏析，渣金界面行为，夹杂物的形核和长大，电磁制动技术、元胞自动机等理论和实验研究结果。本书可作为有关院校冶金专业研究生的教材，也可以作为连续铸钢领域的教师和工程技术人员的参考书。
目 录
1 绪论
1.1 钢铁工业的发展
1.2 连铸技术的发展及现状
1.3 结晶器冶金学的形成
1.4 结晶器冶金过程研究方法
参考文献
2 结晶器内流体流动分析基础
2.1 欧拉方法和拉格朗日方法
2.2 雷诺输运方程
2.3 连续性方程
2.4 雷诺第二输运方程
2.5 黏性流体力学
2.5.1 牛顿内摩擦定律
2.5.2 流体微团运动分析
2.5.3面积力和应力张量
2.5.4 广义牛顿内摩擦定律
2.5.5 牛顿流体的动量方程
2.5.6 牛顿流体的能量方程
2.5.7 不可压缩流体的连续方程
2.5.8 不可压缩流体的动量方程
2.5.9 不可压缩流体的能量方程
2.6 湍流的描述
2.6.1 湍流的基本特征
2.6.2 湍流的数值模拟方法
2.7 湍流基本方程
2.7.1 时均值和脉动值
2.7.2 时均连续性方程
2.7.3时均动量方程
2.7.4 时均能量方程
2.8 湍流动量模型
2.8.1 涡粘模型及其演变
2.8.2 二阶矩模型
2.8.3 雷诺时均法缺陷
2.9 湍流能量模型
2.10 大涡模拟
2.11 湍流流动通用微分方程
参考文献
3控制体积法
3.1 计算流体力学常用数值方法
3.1.1 有限差分方法
3.1.2 有限元法
3.1.3控制体积法
3.2 计算区域的剖分
3.3 导数的差分表达
3.4 偏微分方程在控制体上的积分
3.5 扩散项的离散
3.6 对流项的离散
3.6.1 中心差分格式
3.6.2 一阶迎风格式
3.6.3 虚假扩散和其他格式
3.7 源项的线性化
3.8 压力和速度的耦合计算
3.9 交错网格
3.10 SIMPLE算法
3.10.1 速度校正方程
3.10.2 压力校正方程
3.10.3 计算步骤
3.10.4 SIMPLE系列算法比较
3.11 边界条件
3.12 离散代数方程组的求解
3.12.1 TDMA算法
3.12.2 Gauss-Siedel方法
3.12.3 逐次亚松弛
3.13 收敛法则
3.13.1 线性代数方程组迭代收敛条件
3.13.2 方程离散的四条法则
3.13.3 收敛判据
参考文献
4 结晶器内钢液流动数值模拟
4.1 结晶器内钢液流动行为及其研究
4.1.1 钢液流动行为
4.1.2 结晶器流场计算
4.2 基本假设
4.3 控制方程
4.4 计算区域及边界条件
4.5 计算方法
4.6 结晶器内钢液流动行为的控制
4.6.1 水口张角
4.6.2 拉坯速度
4.6.3 水口插入深度
4.6.4 铸坯宽度
参考文献
5 结晶器钢液流动的水力学模拟和卷渣模型
5.1结晶器内钢液流动的水力学模拟
5.1.1 水模型的建立
5.1.2 模型相似条件
5.1.3 水模型流体流动特点
5.1.4 渣金界面的相似条件
5.2 结晶器内渣金界面形态及分析
5.2.1 结晶器内渣金卷混现象及分类
5.2.2 表面回流与卷渣
5.2.3 漩涡与卷渣
5.2.4 水口吹氩与卷渣
5.2.5 水口插入深度与卷渣
5.3 卷渣数学模型
5.3.1 渣金界面速度分布
5.3.2 钢液中渣滴的形成
5.3.3 渣金卷混的临界条件
5.3.4 渣金两相流动特征
参考文献
6 电磁制动下结晶器内钢液流动的数值模拟
6.1 电磁制动的发展史
6.2 电磁制动下结晶器内磁场数学模型
6.2.1 麦克斯韦方程组
6.2.2 磁场计算控制方程
6.2.3 基本方程的离散化
6.2.4 磁感应强度计算公式
6.2.5 计算区域和网格剖分
6.2.6 边界条件
6.2.7 磁化曲线的数学处理
6.2.8 离散方程的求解
6.2.9插值公式
6.2.10 结晶器内磁场的基本特征
6.3 电磁制动下结晶器内钢液流动数学模型
6.3.1 基本假设
6.3.2 控制方程
6.3.3 计算区域和边界条件
6.3.4 感生电流计算公式
6.3.5电磁力计算公式
6.3.6 方程的求解和收敛判据
6.4 电磁制动下结晶器钢液流场
6.4.1 电磁制动下结晶器内物理场
6.4.2 影响电磁制动效果的因素
参考文献
7 夹杂物行为的数值模拟
7.1 夹杂物形核热力学
7.2 夹杂物长大动力学
7.2.1 奥斯特瓦德熟化
7.2.2 颗粒碰撞理论
7.2.3 夹杂物碰撞机理
7.3 结晶器中夹杂物的去除
7.3.1 水口壁面的吸附
7.3.2 凝固坯壳的捕获
7.3.3 保护渣的吸附
7.4 夹杂物行为的基本数学模型
7.4.1非均相模型
7.4.2 均相模型
7.5 多模式数学模型
7.5.1 多尺度夹杂物数量守恒模型
7.5.2 夹杂物数量和质量守恒模型
7.5.3 欧拉-拉格朗日混合模型
7.6 多过程耦合数学模型
7.6.1 凝固的影响
7.6.2 气泡的影响
7.7 夹杂物数学模型的发展方向
参考文献
8 结晶器内钢液凝固的数值模拟
8.1 连铸过程凝固数学模型分类
8.2 凝固基本假设
8.3 连续介质运动方程
8.4 凝固过程能量方程
8.4.1 焓法
8.4.2 等效比热法
8.4.3 焓和温度混合模式法
8.4.4 热浮力
8.5 凝固微观偏析模型
8.5.1 固相完全扩散、液相充分混合模型
8.5.2 固相无扩散、液相充分混合模型
8.5.3 固相有限扩散、液相充分混合模型
8.5.4 溶质再分配模型比较分析
8.6 溶质宏观输运方程
8.6.1控制方程
8.6.2 溶质浮力
8.6.3 溶质输运与夹杂物输运的比较
8.7 输运方程边界条件
8.8 凝固模型的离散和求解方法
8.9 结晶器内钢液凝固现象分析
8.9.1 凝固坯壳厚度
8.9.2 钢液流动速度分布
8.9.3 钢液温度分布
8.9.4 钢液中碳分布
参考文献
9 合金凝固过程及凝固组织演变的数值模拟
9.1 合金凝固分析基础
9.1.1 宏观传热、传质
9.1.2 晶体形核
9.1.3 凝固界面溶质再分配 （微观偏析模型）
9.1.4 晶体生长（枝晶、包晶、共晶）
9.2 凝固宏观传输过程
9.2.1凝固、偏析模型
9.2.2 对流-扩散方程数值求解
9.2.3 模拟结果与讨论
9.2.3.1 经典算例的模型验证
9.2.3.2 热-溶质浮升力对合金凝固过程的影响
9.2.3.3 Fe-C铸锭、铸坯的模拟结果
9.3. 凝固路径
9.3.1 杠杆定律
9.3.2 Gulliver-Scheil 模型
9.3.3 偏平衡模型
9.3.4 固相有限扩散
9.3.5二元、三元及多元合金
9.3.5.1 数学模型
9.3.5.2. 计算步骤
9.3.5.3. 结果讨论
9.4 微观组织预测
9.4.1 微观组织预测模型
9.4.2 元胞自动机法
9.4.2.1 CA法生长捕获算子的演变
9.4.2.2模拟步骤
9.4.3 CA-FD耦合过程
9.4.3.1 宏、微观耦合模型
9.4.3.2宏微观耦合模拟求解步骤
9.4.4．铸锭凝固组织形貌预测结果讨论
9.4.4.1宏微观耦合典型模拟结果
9.4.4.2与仅模拟宏观传输结果的比较
9.4.4.3流动对合金凝固过程的影响
9.4.5连铸过程组织预测
9.4.5.1 薄片法预测凝固末端位置
9.4.5.2. 方坯凝固过程模拟结果分析
9.4.5.3组织形貌
参考文献
10合金凝固组织预测的元胞自动机模型
10.1 凝固组织预测模型概述
10.2 介观元胞自动机法
10.2.1 晶粒形核模型
10.2.2 晶体生长动力学
10.2.3生长捕获算子
10.3 微观元胞自动机法
10.4 介观CA- FV双向强耦合模型
10.4.1 宏观传输数学模型
10.4.2微观形核模型
10.4.3流场下枝晶尖端生长动力学模型
10.4.4偏心生长捕获算子
10.4.5宏观/微观耦合
10.4.6初始条件和边界条件
10.4.7宏微观耦合求解过程
10.5 介观CA- FV/FD单向弱耦合模型
10.5.1 宏观温度场
10.5.2 微观形核、晶粒生长
10.5.3 宏观、微观单向耦合
10.6柱状晶/等轴晶(CET)转变机制
10.6.1 由CA-FD耦合模型预测的凝固组织形貌判定CET转变
10.6.2 Hunt 模型判定CET 转变
10.6.3 Stefanescu模型判定CET 转变
10.7铸锭凝固组织预测及分析
10.7.1宏微观耦合典型模拟结果
10.7.2晶粒结构对溶质分布、偏析的影响
10.7.3与仅模拟宏观传输结果的比较
10.7.4流动对合金凝固过程的影响
10.8连铸坯组织预测
参考文献
附录
附录1 连续介质的混合密度
附录2 推导连续介质的质量守恒方程
附录3 推导连续介质的动量守恒方程
附录4推导连续介质的能量守恒方程
附录5推导连续介质的溶质守恒方程
附录6 连续介质的层流传输方程
附录7连续介质的紊流传输方程
附录8 对流-扩散方程的上风方案离散
附录9 源项的线性化处理
附录10 固/液相质量分数的迭代更新
参考文献
1.1 钢铁工业的发展
1.2 连铸技术的发展及现状
1.3 结晶器冶金学的形成
1.4 结晶器冶金过程研究方法
参考文献
2 结晶器内流体流动分析基础
2.1 欧拉方法和拉格朗日方法
2.2 雷诺输运方程
2.3 连续性方程
2.4 雷诺第二输运方程
2.5 黏性流体力学
2.5.1 牛顿内摩擦定律
2.5.2 流体微团运动分析
2.5.3面积力和应力张量
2.5.4 广义牛顿内摩擦定律
2.5.5 牛顿流体的动量方程
2.5.6 牛顿流体的能量方程
2.5.7 不可压缩流体的连续方程
2.5.8 不可压缩流体的动量方程
2.5.9 不可压缩流体的能量方程
2.6 湍流的描述
2.6.1 湍流的基本特征
2.6.2 湍流的数值模拟方法
2.7 湍流基本方程
2.7.1 时均值和脉动值
2.7.2 时均连续性方程
2.7.3时均动量方程
2.7.4 时均能量方程
2.8 湍流动量模型
2.8.1 涡粘模型及其演变
2.8.2 二阶矩模型
2.8.3 雷诺时均法缺陷
2.9 湍流能量模型
2.10 大涡模拟
2.11 湍流流动通用微分方程
参考文献
3控制体积法
3.1 计算流体力学常用数值方法
3.1.1 有限差分方法
3.1.2 有限元法
3.1.3控制体积法
3.2 计算区域的剖分
3.3 导数的差分表达
3.4 偏微分方程在控制体上的积分
3.5 扩散项的离散
3.6 对流项的离散
3.6.1 中心差分格式
3.6.2 一阶迎风格式
3.6.3 虚假扩散和其他格式
3.7 源项的线性化
3.8 压力和速度的耦合计算
3.9 交错网格
3.10 SIMPLE算法
3.10.1 速度校正方程
3.10.2 压力校正方程
3.10.3 计算步骤
3.10.4 SIMPLE系列算法比较
3.11 边界条件
3.12 离散代数方程组的求解
3.12.1 TDMA算法
3.12.2 Gauss-Siedel方法
3.12.3 逐次亚松弛
3.13 收敛法则
3.13.1 线性代数方程组迭代收敛条件
3.13.2 方程离散的四条法则
3.13.3 收敛判据
参考文献
4 结晶器内钢液流动数值模拟
4.1 结晶器内钢液流动行为及其研究
4.1.1 钢液流动行为
4.1.2 结晶器流场计算
4.2 基本假设
4.3 控制方程
4.4 计算区域及边界条件
4.5 计算方法
4.6 结晶器内钢液流动行为的控制
4.6.1 水口张角
4.6.2 拉坯速度
4.6.3 水口插入深度
4.6.4 铸坯宽度
参考文献
5 结晶器钢液流动的水力学模拟和卷渣模型
5.1结晶器内钢液流动的水力学模拟
5.1.1 水模型的建立
5.1.2 模型相似条件
5.1.3 水模型流体流动特点
5.1.4 渣金界面的相似条件
5.2 结晶器内渣金界面形态及分析
5.2.1 结晶器内渣金卷混现象及分类
5.2.2 表面回流与卷渣
5.2.3 漩涡与卷渣
5.2.4 水口吹氩与卷渣
5.2.5 水口插入深度与卷渣
5.3 卷渣数学模型
5.3.1 渣金界面速度分布
5.3.2 钢液中渣滴的形成
5.3.3 渣金卷混的临界条件
5.3.4 渣金两相流动特征
参考文献
6 电磁制动下结晶器内钢液流动的数值模拟
6.1 电磁制动的发展史
6.2 电磁制动下结晶器内磁场数学模型
6.2.1 麦克斯韦方程组
6.2.2 磁场计算控制方程
6.2.3 基本方程的离散化
6.2.4 磁感应强度计算公式
6.2.5 计算区域和网格剖分
6.2.6 边界条件
6.2.7 磁化曲线的数学处理
6.2.8 离散方程的求解
6.2.9插值公式
6.2.10 结晶器内磁场的基本特征
6.3 电磁制动下结晶器内钢液流动数学模型
6.3.1 基本假设
6.3.2 控制方程
6.3.3 计算区域和边界条件
6.3.4 感生电流计算公式
6.3.5电磁力计算公式
6.3.6 方程的求解和收敛判据
6.4 电磁制动下结晶器钢液流场
6.4.1 电磁制动下结晶器内物理场
6.4.2 影响电磁制动效果的因素
参考文献
7 夹杂物行为的数值模拟
7.1 夹杂物形核热力学
7.2 夹杂物长大动力学
7.2.1 奥斯特瓦德熟化
7.2.2 颗粒碰撞理论
7.2.3 夹杂物碰撞机理
7.3 结晶器中夹杂物的去除
7.3.1 水口壁面的吸附
7.3.2 凝固坯壳的捕获
7.3.3 保护渣的吸附
7.4 夹杂物行为的基本数学模型
7.4.1非均相模型
7.4.2 均相模型
7.5 多模式数学模型
7.5.1 多尺度夹杂物数量守恒模型
7.5.2 夹杂物数量和质量守恒模型
7.5.3 欧拉-拉格朗日混合模型
7.6 多过程耦合数学模型
7.6.1 凝固的影响
7.6.2 气泡的影响
7.7 夹杂物数学模型的发展方向
参考文献
8 结晶器内钢液凝固的数值模拟
8.1 连铸过程凝固数学模型分类
8.2 凝固基本假设
8.3 连续介质运动方程
8.4 凝固过程能量方程
8.4.1 焓法
8.4.2 等效比热法
8.4.3 焓和温度混合模式法
8.4.4 热浮力
8.5 凝固微观偏析模型
8.5.1 固相完全扩散、液相充分混合模型
8.5.2 固相无扩散、液相充分混合模型
8.5.3 固相有限扩散、液相充分混合模型
8.5.4 溶质再分配模型比较分析
8.6 溶质宏观输运方程
8.6.1控制方程
8.6.2 溶质浮力
8.6.3 溶质输运与夹杂物输运的比较
8.7 输运方程边界条件
8.8 凝固模型的离散和求解方法
8.9 结晶器内钢液凝固现象分析
8.9.1 凝固坯壳厚度
8.9.2 钢液流动速度分布
8.9.3 钢液温度分布
8.9.4 钢液中碳分布
参考文献
9 合金凝固过程及凝固组织演变的数值模拟
9.1 合金凝固分析基础
9.1.1 宏观传热、传质
9.1.2 晶体形核
9.1.3 凝固界面溶质再分配 （微观偏析模型）
9.1.4 晶体生长（枝晶、包晶、共晶）
9.2 凝固宏观传输过程
9.2.1凝固、偏析模型
9.2.2 对流-扩散方程数值求解
9.2.3 模拟结果与讨论
9.2.3.1 经典算例的模型验证
9.2.3.2 热-溶质浮升力对合金凝固过程的影响
9.2.3.3 Fe-C铸锭、铸坯的模拟结果
9.3. 凝固路径
9.3.1 杠杆定律
9.3.2 Gulliver-Scheil 模型
9.3.3 偏平衡模型
9.3.4 固相有限扩散
9.3.5二元、三元及多元合金
9.3.5.1 数学模型
9.3.5.2. 计算步骤
9.3.5.3. 结果讨论
9.4 微观组织预测
9.4.1 微观组织预测模型
9.4.2 元胞自动机法
9.4.2.1 CA法生长捕获算子的演变
9.4.2.2模拟步骤
9.4.3 CA-FD耦合过程
9.4.3.1 宏、微观耦合模型
9.4.3.2宏微观耦合模拟求解步骤
9.4.4．铸锭凝固组织形貌预测结果讨论
9.4.4.1宏微观耦合典型模拟结果
9.4.4.2与仅模拟宏观传输结果的比较
9.4.4.3流动对合金凝固过程的影响
9.4.5连铸过程组织预测
9.4.5.1 薄片法预测凝固末端位置
9.4.5.2. 方坯凝固过程模拟结果分析
9.4.5.3组织形貌
参考文献
10合金凝固组织预测的元胞自动机模型
10.1 凝固组织预测模型概述
10.2 介观元胞自动机法
10.2.1 晶粒形核模型
10.2.2 晶体生长动力学
10.2.3生长捕获算子
10.3 微观元胞自动机法
10.4 介观CA- FV双向强耦合模型
10.4.1 宏观传输数学模型
10.4.2微观形核模型
10.4.3流场下枝晶尖端生长动力学模型
10.4.4偏心生长捕获算子
10.4.5宏观/微观耦合
10.4.6初始条件和边界条件
10.4.7宏微观耦合求解过程
10.5 介观CA- FV/FD单向弱耦合模型
10.5.1 宏观温度场
10.5.2 微观形核、晶粒生长
10.5.3 宏观、微观单向耦合
10.6柱状晶/等轴晶(CET)转变机制
10.6.1 由CA-FD耦合模型预测的凝固组织形貌判定CET转变
10.6.2 Hunt 模型判定CET 转变
10.6.3 Stefanescu模型判定CET 转变
10.7铸锭凝固组织预测及分析
10.7.1宏微观耦合典型模拟结果
10.7.2晶粒结构对溶质分布、偏析的影响
10.7.3与仅模拟宏观传输结果的比较
10.7.4流动对合金凝固过程的影响
10.8连铸坯组织预测
参考文献
附录
附录1 连续介质的混合密度
附录2 推导连续介质的质量守恒方程
附录3 推导连续介质的动量守恒方程
附录4推导连续介质的能量守恒方程
附录5推导连续介质的溶质守恒方程
附录6 连续介质的层流传输方程
附录7连续介质的紊流传输方程
附录8 对流-扩散方程的上风方案离散
附录9 源项的线性化处理
附录10 固/液相质量分数的迭代更新
参考文献
前 言
结晶器是连铸机的关键部件。因为钢液一经凝固成铸坯，其成分偏析、内部裂纹等缺陷将永远保留在终产品中，无法通过热处理等工艺手段去除，因此结晶器又被称为连铸机的心脏。铸坯的缺陷往往与结晶内传输现象密切相关，主要涉及钢液的流动和凝固、夹杂物行为、渣金界面行为及相关的电磁控制技术。这些因素的相互作用，相互影响，形成了结晶器内十分复杂的冶金现象。
在结晶器内复杂的冶金现象中，渣金界面行为，钢液的流动、凝固和溶质偏析，夹杂物的去除构成了结晶器冶金的三大核心问题。在现有的研究手段中，水力学模拟和数学模拟一直是冶金工作者研究传输现象的有力工具。这两个工具相辅相成，互为补充。
随着计算机硬件和软件的发展，数值模拟技术得到了越来越广泛的应用，FLUENT,CFX,PHENICS,STAR-CD,PROCAST等商业软件在冶金领域的应用日渐深入。在这些商业软件的帮助下，冶金工作者对冶金传输过程的数值模拟有了更深刻的认识。但是，人们在从事冶金过程模拟仿真过程中存在着一些误区，如往往经常使用商业软件中的各种默认模式，而不深究选取这些默认模式的原因以及是否存在其他更有效的模式。因而这些误区的存在不利于我们对冶金现象开展深入细致的基础研究，在某些情况下甚至还会将研究工作引入歧途。可喜的是，作者进入数值模拟领域是从FORTRAN编程开始的。在编程过程中，对控制方程的离散、边界条件的设定逐项进行核实，对数值模拟中数学模型的选择、方程的离散等有着较为深刻的认识，积累的每个数值结果都记录着编程过程有所突破的喜悦。
结晶器内传输现象的数值仿真主要涉及高等数学、线性代数、偏微分方程、电磁学、流体力学、传热学、传质学和金属学等课程。虽然冶金专业学生在本科和研究生期间均系统地学习了上述课程，但是利用这些知识来解决实际冶金问题仍需一个长期的融合过程。当前，我国冶金工程技术人员及研究生们都迫切希望缩短各学科知识融会贯通过程，尽快地高质量完成各自的科研任务。另一方面，虽然国内外冶金工作者针对结晶器进行了大量的研究，取得了重要进展，发表了大量论文，但结晶器冶金的复杂性导致不同学者仅针对结晶器某一部分领域开展工作，无法窥其全貌。而且迄今尚无一本完整、系统地阐述结晶器冶金过程数值仿真的书籍。因此，作者在国内外冶金学者的研究基础上，总结了自已在结晶器冶金方面的研究心得，并经多年教学实践，撰写成本书，希望本书的出版能对揭示结晶器冶金的复杂性起到抛砖引玉的作用。
本书按照由浅入深的原则，使相近学科的读者在掌握基本理论后，能将相关课程串连在一起，并将其他学科的相关知识应用于本学科的研究中。编入本书各章节内容，大部分是作者主持和参与的研究工作，也引用了一些已发表的国内外专家研究成果。本书中所介绍数值模拟工作均通过作者开发的自编程序完成。全书对《结晶器冶金学》内容进行了补充，并邀请张红伟副教授撰写了凝固部分（第八章、第九章、第十章和附录）。章介绍了结晶器冶金的相关技术和主要研究手段。第二章介绍了湍流的特性和各种数学模型之间的区别和联系。第三章介绍了控制体积方法所关注的核心问题。第四章到第七章分别介绍了作者采用水力学模型、数学模型和数值模拟方法在结晶器内钢液流动、渣金界面行为、夹杂物运动和碰撞聚合行为以及电磁制动技术等方面进行的研究工作。第八章到第十章和附录介绍了凝固过程宏观传输过程、合金凝固路径和凝固组织预测方面的理论和应用。
随着冶金过程的数学模拟工作的推广，更需要强调掌握基本理论的重要性。只有深入了解流体力学、传热学和传质学及冶金原理的基础上，才能建立正确的数学模型，才能选择正确合理的数值方法，才能对数值结果进行正确的分析。不对数值结果进行验证，轻信并盲目地应用数值结果在很多情况下会带来十分危险的后果。同时对于同一个问题，往往存在不同的解决方法。这些解决方案，有时会给出相同的答案(例如第六章电磁制动中感生电流的计算)，但是在更多情况下不同解决方案(例如第二章介绍的不同湍流模型)会给出不同的答案。在这些情况下，对冶金基本过程的深入理解和对结果的仔细甄别直接决定了科研工作的成败。
在作者的学习和工作过程中，得到了国内外多位专家的大力帮助。在此，作者向东北大学赫冀成教授、王文忠教授、朱苗勇教授、邹宗树教授、施月循教授、辽宁科技大学赵连刚教授，清华大学吴子牛教授、袁新教授、王连泽副教授，法国里昂中央理工大学DianelHenry教授、HamdaBenhadid教授，美国俄亥俄州立大学YogeshwarSahai教授，日本东北大学谷口尚司教授，瑞典皇家工学院中岛敬治教授，法国巴黎矿业大学材料成型中心的Charles-AndreGandin教授表示深深的谢意。在书稿的整理过程中，得到作者团队中研究生们的大力协助，在此一并表示感谢！
本书在出版方面得到了辽宁省百千万人才工程培养经费（2013921073）和北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室开放课题（KF13-10）的资助。在书稿准备与出版过程中，冶金工业出版社的编辑人员也给予了大力支持，在此一并表示感谢。
本书的主要面向工科研究生和科研人员。写作过程中在保证基础理论完整的同时，尽量避免繁琐的公式推导，力求全文简单、易懂。但由于作者水平有限，缺点和错误在所难免，欢迎读者批评指正。
雷洪
2014年7月于东北大学
在结晶器内复杂的冶金现象中，渣金界面行为，钢液的流动、凝固和溶质偏析，夹杂物的去除构成了结晶器冶金的三大核心问题。在现有的研究手段中，水力学模拟和数学模拟一直是冶金工作者研究传输现象的有力工具。这两个工具相辅相成，互为补充。
随着计算机硬件和软件的发展，数值模拟技术得到了越来越广泛的应用，FLUENT,CFX,PHENICS,STAR-CD,PROCAST等商业软件在冶金领域的应用日渐深入。在这些商业软件的帮助下，冶金工作者对冶金传输过程的数值模拟有了更深刻的认识。但是，人们在从事冶金过程模拟仿真过程中存在着一些误区，如往往经常使用商业软件中的各种默认模式，而不深究选取这些默认模式的原因以及是否存在其他更有效的模式。因而这些误区的存在不利于我们对冶金现象开展深入细致的基础研究，在某些情况下甚至还会将研究工作引入歧途。可喜的是，作者进入数值模拟领域是从FORTRAN编程开始的。在编程过程中，对控制方程的离散、边界条件的设定逐项进行核实，对数值模拟中数学模型的选择、方程的离散等有着较为深刻的认识，积累的每个数值结果都记录着编程过程有所突破的喜悦。
结晶器内传输现象的数值仿真主要涉及高等数学、线性代数、偏微分方程、电磁学、流体力学、传热学、传质学和金属学等课程。虽然冶金专业学生在本科和研究生期间均系统地学习了上述课程，但是利用这些知识来解决实际冶金问题仍需一个长期的融合过程。当前，我国冶金工程技术人员及研究生们都迫切希望缩短各学科知识融会贯通过程，尽快地高质量完成各自的科研任务。另一方面，虽然国内外冶金工作者针对结晶器进行了大量的研究，取得了重要进展，发表了大量论文，但结晶器冶金的复杂性导致不同学者仅针对结晶器某一部分领域开展工作，无法窥其全貌。而且迄今尚无一本完整、系统地阐述结晶器冶金过程数值仿真的书籍。因此，作者在国内外冶金学者的研究基础上，总结了自已在结晶器冶金方面的研究心得，并经多年教学实践，撰写成本书，希望本书的出版能对揭示结晶器冶金的复杂性起到抛砖引玉的作用。
本书按照由浅入深的原则，使相近学科的读者在掌握基本理论后，能将相关课程串连在一起，并将其他学科的相关知识应用于本学科的研究中。编入本书各章节内容，大部分是作者主持和参与的研究工作，也引用了一些已发表的国内外专家研究成果。本书中所介绍数值模拟工作均通过作者开发的自编程序完成。全书对《结晶器冶金学》内容进行了补充，并邀请张红伟副教授撰写了凝固部分（第八章、第九章、第十章和附录）。章介绍了结晶器冶金的相关技术和主要研究手段。第二章介绍了湍流的特性和各种数学模型之间的区别和联系。第三章介绍了控制体积方法所关注的核心问题。第四章到第七章分别介绍了作者采用水力学模型、数学模型和数值模拟方法在结晶器内钢液流动、渣金界面行为、夹杂物运动和碰撞聚合行为以及电磁制动技术等方面进行的研究工作。第八章到第十章和附录介绍了凝固过程宏观传输过程、合金凝固路径和凝固组织预测方面的理论和应用。
随着冶金过程的数学模拟工作的推广，更需要强调掌握基本理论的重要性。只有深入了解流体力学、传热学和传质学及冶金原理的基础上，才能建立正确的数学模型，才能选择正确合理的数值方法，才能对数值结果进行正确的分析。不对数值结果进行验证，轻信并盲目地应用数值结果在很多情况下会带来十分危险的后果。同时对于同一个问题，往往存在不同的解决方法。这些解决方案，有时会给出相同的答案(例如第六章电磁制动中感生电流的计算)，但是在更多情况下不同解决方案(例如第二章介绍的不同湍流模型)会给出不同的答案。在这些情况下，对冶金基本过程的深入理解和对结果的仔细甄别直接决定了科研工作的成败。
在作者的学习和工作过程中，得到了国内外多位专家的大力帮助。在此，作者向东北大学赫冀成教授、王文忠教授、朱苗勇教授、邹宗树教授、施月循教授、辽宁科技大学赵连刚教授，清华大学吴子牛教授、袁新教授、王连泽副教授，法国里昂中央理工大学DianelHenry教授、HamdaBenhadid教授，美国俄亥俄州立大学YogeshwarSahai教授，日本东北大学谷口尚司教授，瑞典皇家工学院中岛敬治教授，法国巴黎矿业大学材料成型中心的Charles-AndreGandin教授表示深深的谢意。在书稿的整理过程中，得到作者团队中研究生们的大力协助，在此一并表示感谢！
本书在出版方面得到了辽宁省百千万人才工程培养经费（2013921073）和北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室开放课题（KF13-10）的资助。在书稿准备与出版过程中，冶金工业出版社的编辑人员也给予了大力支持，在此一并表示感谢。
本书的主要面向工科研究生和科研人员。写作过程中在保证基础理论完整的同时，尽量避免繁琐的公式推导，力求全文简单、易懂。但由于作者水平有限，缺点和错误在所难免，欢迎读者批评指正。
雷洪
2014年7月于东北大学
媒体评论
本书阐述了动量、热量和质量传输基本规律在结晶器冶金学中的应用。从物理学基本理论出发，建立了湍流输运的通用微分方程组，给出了冶金传输控制方程组的起源和前提条件，系统地介绍了控制体积法原理和关键求解过程，并结合结晶器内传输行为特点，介绍了结晶器内钢液流动、凝固和溶质偏析，渣金界面行为，夹杂物的形核和长大，电磁制动技术、元胞自动机等理论和实验研究结果。
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