中间包自由表面的数值模拟与物理模拟.pdfVIP

中间包 自由表面的数值模拟与物理模拟 中间包 自由表面的数值模拟与物理模拟 张瑞 张捷 宇z (1中冶南方工程技术有限公司，湖北武汉 430223； 2上海大学材料科学与工程学院，上海 200072) [摘要] 应用计算机数值模拟研究了坝高 、堰深、坝堰间距以及液面高度对中间包 自由表面的影响，并通过水力学模拟 验证数值计算结果的正确性。实验证明，计算机模拟的结果与水模实验结果基本相符，说明计算机模拟结果可以满足工程的需 要。为优化设计中间包 、减少卷渣的发生提供了有利的依据。 关键词 中间包 自由表面 数学模型 水模型 1 前 言 对象，具体位置见图2。 随着现代工业的不断发展，对特殊钢、高质量钢 的需求 日益扩大。所以20世纪 70年代末 ，炼钢界开 始把清洁钢冶炼的目光转向冶金过程中的另一个重 要环节——中间包冶金。中间包不仅是保持连铸工艺 稳定、把钢水均匀分配给各个结晶器和实现多炉连浇 的中间容器，同时还起着排除夹杂物 、纯洁钢液的重 影响中间包液面波动的因素包括 ：坝高、堰深 、坝 要冶金作用。中间包内钢液的流动会影响非金属颗粒 堰间距和中间包的液位高度等。考虑上述因素设计了 (例AI0，SiO：)的分离即钢液的纯净度 ；而中间包液 计算方案，如表 1。 面的稳定对减少卷渣和改善夹杂物的上浮排除有重 表 1 计算方案(流速 v=0．1m／s) 要影响。 本文采用 SOLA—VOF方法与 SIMPLEC算法相结 合 ，应用计算机模拟计算了在安置不同控流装置时， 中间包内自由表面的波高；同时根据相似原理 ，采用 了 1：3的水模型对中间包液面波动进行了物理模拟 ， 找出了影响液面波动的敏感因素，从而对数学模型进 行验证 、为实际生产选择最佳的工艺条件提供依据。 2 计算原型及方案设计 以表2中的原型中间包为研究对象，计算并分析 了不同工艺参数对其液面波动的影响，从而得出优化 设计方案。其内型特征尺寸见图 l。 3 中间包数学模型及计算结果分析 3．1 数学模型的建立 假定中间包 自由表面的流动是不可压缩的和层 流的023,41，忽略了流动过程中的热效应 ，则构成求解的 封闭方程为流体所满足的连续方程及 Navier—Stokes 方程 。 连续方程为 ： 靠+ =。 (【11)I 在模拟过程中，选择了四个代表性的点作为研究 2010年第5期 天沣幺分 式中：u，分别是x，Y方向的流体速度，m／s。 流体满足的N—S方程为： + 妻+au：一妻+…+、鲁(+) (2) 言a+妄“+v舅—去·考+g…+、．(02v。+) (3。) 式中：广 流体压力，Pa； p一 流体密度，kg／m3； y —一流体的动力粘性系数，m2／s； D坝高 ／mm ，岛-—_x，Y方向的体积加速度，m／s。 图5 坝加高时4点波动变化 连续性方程和动量方程用有限差分法进行离散。