在冶金工艺中,合理的组织炉内流场,是提高产品质量和生产效率的关键所在。但是冶金工艺所使用的常规炉窑一般都是在高温环境下工作的,这使得流场信息和数据的获得变得极为困难。近年来,随着计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)、计算机技术及测量技术的发展,采用CFD技术与水力模型实验相结合,共同研究冶金过程中的流动现象,已经成为解决上述问题的成熟而高效的新方法。底吹熔池炼铜法是我国有着自主知识产权的炼铜新方法,与其他的炼铜工艺相比,它有着原料适应性强,流程简单,富氧率高以及能耗低等方面的优势。随着生产线规模和底吹炉尺寸的逐渐增大,底部氧枪的气体喷吹量也逐渐增大。目前主要通过三个方面来提高底部气体供入量,即提高气体喷射速度、增大氧枪数量和增大氧枪尺寸。提高氧枪喷气速度会导致氧枪的磨损严重、寿命降低;增加氧枪数量会导致全炉的流动与混合特性受到影响。另外,上述三个方法都会使得加重冶炼过程中的熔体喷溅问题,给连续生产造成很多难题,有时候不得不停炉对炉顶加料口处进行清理。因此,如何合理的组织炉内的多相流动过程,是底吹炉能否正常生产的关键。本文以某公司的典型底吹炼铜炉为研究对象(直径为4.8m,长度为21m),采用数值仿真与水力实验相结合的方法,详细研究了底吹炉内多相流动过程。本文主要做了以下几个方面的工作:(1)根据可压缩流模型,模拟得到氧枪两个通道各段主要流动参数变化规律,并对其进行数据拟合,得到氧枪出口气体参数经验表达式。利用经验表达式计算得到的氧枪出口气体静压、密度、速度和总压值与模拟结果的相对误差不超过3%,计算结果准确。采用三段式全浮力模型计算原始氧枪三种不同气体流量工况下的搅拌能和氧枪进口气体理论搅拌能,并将理论搅拌能与实际搅拌能的比值定义为氧枪效率。通过计算,三种气体流量工况下,原始氧枪外层通道效率分别为73.17%、66.41%和 60.6%内层通道效率分别为 92.31%、89.02%和 85.37%。在此基础上,分析了氧枪出口截面形状对氧枪搅拌能和效率的影响,三种出口截面形状的氧枪外层通道效率分别为68.21%、66.41%和64.32%、内层通道效率分别为 89.77%、89.02%和 88.33%。(2)基于相似原理,在保证修正的Fr准数相等的原则下,建立底吹炉水力模型实验台,研究气体流量和氧枪出口截面形状对流动过程的影响。实验结果证明,氧枪出口附近气体射流的不连续性,是造成压力波动的主要原因,压力波动频率与气体流量呈近似线性关系,即气体流量越大,压力波动频率越大。采用正交实验方法分析了三个重要结构参数对实验台内流动状态的影响规律,并通过引入模糊判断矩阵和权重向量,求得两个优化指标在综合评价指标中所占的权重。最后,通过信噪比分析和极差分析,得到氧枪间距、氧枪直径和氧枪倾角的最优组合,即直径6mm、间距50mm、倾角10°。(3)利用PIV系统,对底吹炉水力模型实验台内流动参数进行测量和分析。通过频谱分析法,首次对底吹炉内的宏观不稳定现象进行研究。实验发现,小气量喷吹时观察不到宏观不稳定现象,但随着气量的增大,频谱图上主频率的主导作用逐渐增大,若最大幅值与背景幅值之比大于30,熔池内将出现宏观不稳定现象。此外,在10组不同熔池深度的实验方案中发现,熔池深度为500mm～600mm时,实验台内有宏观不稳定现象,其余深度(300mm～450mm和650mm～700mm)下,实验台内无宏观不稳定现像。实验还发现,模型尺寸是影响MI主频率的主要原因。模型与原型之比分别为1:3、1:5和1:10时(对应实验台直径分别为1230mm、738mm和369mm),MI(Macro Instability)主频率分别为0.653Hz、0.871Hz和1.258Hz,即实验台直径越大,MI主频率越小。(4)建立底吹炉热态流动过程物理模型和数学模型,并对其进行数值仿真,得到气体流量和熔池深度对流动过程的影响规律。然后采用正交实验原理,研究底吹炉三个主要结构参数对炉内热态流动过程的影响规律。通过信噪比分析,得到三个因素对底吹炉热态流动过程的影响主次关系为:氧枪间距>氧枪直径>氧枪倾角;最优组合为:氧枪直径46.4mm,氧枪间距500mm,氧枪倾角10°。最优方案相比于原始方案,平均湍动能增加了 17.08%;同时,喷溅量减少了 14.59%