移動(dòng)磁場作用下鋼液湍流的大渦模擬及氣液兩相流行為的研究.pdf

1、作為提高金屬冶煉效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量的有效輔助手段，電磁場已在冶金領(lǐng)域得到廣泛發(fā)展。行波磁場與旋轉(zhuǎn)磁場均屬于移動(dòng)磁場范疇。本文運(yùn)用現(xiàn)代流體力學(xué)的方法結(jié)合電磁場理論研究電磁場作用于冶金反應(yīng)器內(nèi)鋼液流動(dòng)的冶金特性，利用大渦模擬方法(Large eddy simulation-LES)揭示了不同磁場條件下冶金反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律。研究內(nèi)容及取得的主要結(jié)果包括：
　　 (1)行波磁場作用下圓柱型反應(yīng)器內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律
　　 行波磁場

2、被廣泛應(yīng)用于改善金屬精煉與凝固質(zhì)量，但對行波磁場作用下金屬傳輸行為的認(rèn)識尚不完善，制約了行波磁場的進(jìn)一步應(yīng)用。本文將描述行波磁場的麥克斯韋方程與流體流動(dòng)N-S方程相結(jié)合，建立了計(jì)算行波磁場作用下圓柱型冶金反應(yīng)器內(nèi)三維流場的數(shù)學(xué)模型。通過對典型物理過程進(jìn)行模擬分析，得到的結(jié)果與文獻(xiàn)中提供的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，證明了本模型和編制的計(jì)算程序的可靠性。數(shù)值分析結(jié)果表明：行波磁場作用下圓柱型反應(yīng)器內(nèi)的主截面上形成了兩個(gè)對稱的旋渦。當(dāng)徑高比降低時(shí)，反

3、應(yīng)器內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)沒有改變，為兩個(gè)對稱的旋流，形狀由圓形變成長方形。當(dāng)電磁力增大時(shí)，軸向方向速度曲線則由平項(xiàng)變?yōu)榧忭數(shù)膾佄锞€，并且電磁力越大，波項(xiàng)離底部壁面的距離越近。
　　 (2)離心式中間包鋼液流動(dòng)的大渦模擬和物理模型試驗(yàn)
　　 離心式中間包被用于特殊鋼連鑄工藝中，具有有效排除鋼液中夾雜物的優(yōu)點(diǎn)。但其操作特性仍未被充分掌握。并且電磁驅(qū)動(dòng)旋流的效率較低，對此提出利用彎水口增大離心室內(nèi)旋流強(qiáng)度的方法。采用自行設(shè)計(jì)的離心式中

4、間包水模型裝置，分析了旋流強(qiáng)度對中間包平均停留時(shí)間、死區(qū)體積分?jǐn)?shù)等的影響，并對磁場強(qiáng)度進(jìn)行了參數(shù)研究。結(jié)果表明：施加旋轉(zhuǎn)磁場能顯著地增長中間包的平均停留時(shí)間、縮小中間包的死區(qū)體積分?jǐn)?shù)，有利于夾雜物的去除；選擇離心室出口面積為0.75A時(shí)、葉輪轉(zhuǎn)數(shù)為46rpm有利于改善中間包內(nèi)的流場。離心式中間包內(nèi)液面下凹深度與葉輪轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系很重要。葉輪轉(zhuǎn)速越大，液面下凹深度越大，越可能發(fā)生卷渣；但葉輪轉(zhuǎn)速太小，旋流的強(qiáng)度又不夠，降低了去除夾雜物的效率。

5、通過擬合得到彎水口注流液面下凹深度和葉輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為：H=-3.17×107n3+3.684×10-5n2-0.0001521n，其中：H=h/D, h為下凹深度，D為離心室直徑；n為葉輪轉(zhuǎn)數(shù)，rpm。
　　 發(fā)展了大渦模擬方法求解離心式中間包內(nèi)三維湍流流場?？疾炝酥挥袕澦谧⒘鳎靶D(zhuǎn)磁場作用下分別采用直水口、彎水口時(shí)離心式中間包內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)和磁場強(qiáng)度對離心式中間包流場結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：當(dāng)磁場強(qiáng)度從0.001T增大到0.

6、004T時(shí)，旋流速度的最大值從0.012m/s左右增大到0.04m/s。隨磁場強(qiáng)度的增加，旋流速度成線性增加。磁場強(qiáng)度的改變對流場結(jié)構(gòu)的影響很小；本文模擬條件下，旋轉(zhuǎn)電磁力和彎水口共同作用時(shí)可使由單純電磁場產(chǎn)生的最大速度值增加約15％-19％。并得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。
　　 (3)旋流場內(nèi)底吹氣氣液兩相流運(yùn)動(dòng)行為的數(shù)理研究
　　 噴氣攪拌是爐外精煉中最廣泛使用的技術(shù)，但突出的問題是氬氣比較昂貴，且利用效率低。對此提出利用旋轉(zhuǎn)磁

7、場作用于底吹氣冶金反應(yīng)器的方法。采用室溫模型實(shí)驗(yàn)，對冶金反應(yīng)器內(nèi)氣液流動(dòng)的混合特性進(jìn)行了物理模型研究。結(jié)果表明：底吹氣過程中施加旋轉(zhuǎn)磁場能顯著縮短反應(yīng)器內(nèi)液體的混勻時(shí)間，細(xì)化氣泡并延長氣泡在反應(yīng)器內(nèi)運(yùn)動(dòng)路程，更加高效地去除鋼液中非金屬夾雜物；選擇吹氣位置為0.5R，葉輪轉(zhuǎn)速為60rpm,吹氣量為0.17m3/h為本試驗(yàn)的最佳值。建立了旋流場底吹氣反應(yīng)器內(nèi)氣-液兩相流動(dòng)模型。考察了底吹氣位置和磁場強(qiáng)度對改善反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)形式和氣泡運(yùn)動(dòng)行為

8、的影響。結(jié)果表明：無底吹氣體時(shí)，冶金反應(yīng)器內(nèi)豎直截面的流場結(jié)構(gòu)為四個(gè)對稱的旋渦；無旋流時(shí)，不斷上升的氣泡形成“倒錐形”的氣柱。在旋轉(zhuǎn)磁場(磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.007T)和底吹氣共同作用時(shí)，主截面的流場結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，即旋渦的數(shù)量增加，上升的氣泡形成了“螺旋狀氣柱”。當(dāng)吹氣位置離中心的距離從0增大到0.75R時(shí)，氣泡在冶金反應(yīng)器內(nèi)運(yùn)動(dòng)的路程呈線性的增加，運(yùn)動(dòng)路程最大增加是無旋流時(shí)運(yùn)動(dòng)路程的1.54倍；當(dāng)磁場強(qiáng)度從0增大到0.012T時(shí)，氣泡在冶