中间包钢液注流长水口惰性气幕保护物理和数学模拟.docxVIP

中间包钢液注流长水口惰性气幕保护的物理和数学模拟摘要：中间包水力模型的惰性气幕保护实践，可运用有限体积法，通过??SYS???软件模拟实现。中间包以及长水口内的流体被认为是不可压缩的牛顿流体，而长水口内的流体主要是充满着分散气泡的不连续的流体，这些分散的气泡随着流体向下流动。这样，就可以通过运用?分散相模型?和标准???双方程湍流模型来进行数学模拟。预测的流场，渣的行为以及气泡的轨迹被研究并与全中间包，三分之一中间包流场的水模型实验结果进行比较。众多的实验测量数据表明，除将气柱的穿透深度稍微高估??????外，与运用水力模型预测的结果比较吻合。关键字：物理模型、?数学模型、中间包、隋性气幕保护、分散相模型引言数学建模一直是一个模拟多相气液流动的强有力的工具，而惰性气幕保护是其典型的实例。很多的研究人员做了有关气体进入到钢包长水口和中间包以及结晶器的浸入式水口的数学模型的报告。在早期的作品中，D博尔格等人发现，随着进入到长水口中的气流增加，流体在泡状流、搅动湍流、分离流动间变换。这项成果与探测从钢包到中间包携带的钢渣的探测系统的发展有关系。在其它的工作中，G . M .伊万斯等人提到像浸入式水口的应用，太多的气体可能会导致流动从泡状流过渡到搅拌流，而这是不可取的。因此，为了优化这个过程，对于长水口和浸入式水口，对气幕保护现象有一个科学的了解是很有必要的。在惰性气体保护注流这方面，很多钢铁厂都在用此法，但不能够量化进入到钢液和从长水口与钢包下水口的结合处泄漏到外边的惰性气体。由于过高的惰性气体流动率是可能的，而过高的气体流动率又会对钢材质量有害，这是因为它会夹带中间包钢渣在长水口周围，或结晶器微观夹杂在浸入式水口周围。BAI和汤姆森研究了钢液在从中间包转移到结晶器期间，钢液和氩气泡在浸入式水口当中的流动。他们采用有限差分程序CFX开发了一个Eulerian多相数学模型，研究夹带有气泡的钢液三维湍流流动。CFX是用来模拟氩气泡在钢液中的平均流动时间。在用CFX建模中，每一相都有自己的一套连续性和动量方程。连接是通过一种以实验为依据的在钢液和氩气泡间的相间阻力来实现的。这个模型的预测结果无论在数量上还是在质量都与基于一个0.4比例的水模型的运用粒子成像测速（PIV）的测量结果相一致。在G. M.埃文斯等人的工作中，他们开发了一个基于一维漂移通量分析和关键韦伯数稳定气泡尺寸的模型。他们的模型是用来预测气泡的大小和气体空隙率的，且作为一个在泡状流制度的范围内计算气体和液体的流速函数。该模型还可以用来预测气体和液体的流动状况，比如当流场自泡状流向搅拌式湍流过渡时。王等人开发了一个利用惰性气体保护长水口的去除钢液夹杂的数学模型。他们讨论了气泡与夹杂碰撞和随后发生粘附的概率，并指出，气泡粘附率是去除夹杂的一项重要参数。同时他们也提到，较小的气泡和较大的夹杂颗粒的存在有利于夹杂去除。张等人在一个模型当中报到了不同喷嘴直径与形成的气泡尺寸之间关系的结果。即，喷嘴直径越小，所形成的气泡就越小。HAE-Geon李和他的合作者在一个水模型中研究了利用细小气泡从钢液中去除夹杂。空气是由从滑动水口下端的一个模型钢包长水口处注入。他们报告说，湿润性是其中一个主要因素，它的大小是由水与夹杂的接触角决定的，接触角越大，效率越高。他们讨论了气泡在模型水口中的形成与扩散，并指出，尺寸在0.5-1毫米的气泡可在水中形成。然而，他们没有具体给出气泡的尺寸，也没有与钢液中的气泡尺寸作任何的比较。总之，没有研究人员报到过气泡在中间包中的运行轨迹，也没有报到气泡是怎样影响中间包的流场的。同样地，在以上的所有工作中，从未考虑到由于长水口注入气体而导致钢液和炉渣出现气眼。Chattopadhyay 等人曾经报到过长水口用惰性气体保护对中间包流场产生的影响，以及相关的钢渣的运动。对于这一点，他们使用了2维的数学模型。然而，2维的数学模型相对于3维来说有一定的缺点，尤其是当模拟一个三角形中间包时。同样，湍流也是一个3维模型。也许唯一的优点是计算时间短，相对容易而已。对于目前的计算，使用的ANSYS12.0包，计算与使用完整的三角形中间包和三分之一中间包水模型的实验结果相比较，二者等效。2．数学模型运用FLUENT ANSYS 12.0建数学模型涉及以下几个步骤：使用基本CAD工具绘制中间包（计算域）的图形;将整个计算域离散为微小的四面体单元（通常叫做网格化）；网格输出到恰当的CFD软件包；设定材料特性以及边界条件；设定解的参数；用迭代法解离散方程，直到解出结果；后期代表性图形的处理；长水口内气液两相流动的数学模型基于以下假设:保护套管内流动的流体是不可压缩的牛顿流体；两相流主要是气泡形的，离散气泡在入口位置形成的，然后随水在长水口内向下流动而均匀分布，由于长水口内气体的体积分数不会超过