本文采用数值模拟、物理模拟和工业实验相结合的方法研究了不同钢包长水口对中间包内的湍流控制机理以及对钢液洁净度的影响,从而探索了采用钢包长水口用于中间包流动控制的理论基础和工业可行性。首先,针对目前比较流行的几种模拟水口和中间包流动的数学模型进行了评估,包括标准k-ε数学模型、雷诺应力模型和大涡模拟模型。结果表明,通过合理安排结构网格的设计和计算方法,大涡模拟模型能够较好地捕捉水口和中间包内的瞬态湍流结构,能够获得较小尺度的湍流脉动信息,有利于湍流结构的深入研究和探讨。同时,通过建立物理模型对大涡模拟的计算结果进行了对比验证,两者的速度场匹配度较好。论文采用大涡模拟对目前已经工业化的传统型和喇叭型钢包长水口模型的内部湍流结构进行了对比研究。为了便于对比验证,水口模型为1/3比例的水模型。研究结果表明,喇叭型水口的扩张段一方面促进了水口内涡流的产生和湍动能的耗散,另一方面增加了水口内有效流动容积和出口面积。这使得喇叭型水口的出口速度较小,主流股不是直流向下而是呈摇摆形向下流动。长水口的出口流股特征影响着中间包内的钢液流动。传统型直筒水口的出口流股速度较大,对中间包底部冲击相对较大,中包表面流速也相对较大。喇叭型水口的出口流股速度较小,摇摆形的流股能与更多体积的中间包流体进行混匀,湍动能得到进一步耗散,从而缓和了对中包底部的冲击,获得了相对平缓的表面流速。同时,物理模拟验证了数值模拟关于喇叭型水口的作用,在钢包开浇时渣层裸露面积较小,在稳定浇注时液面也更加平稳。这部分模拟结果揭示了喇叭型水口在提高连铸运作效率和改善钢液洁净度方面的作用机理。然后,论文将大涡模拟的应用扩展到了实际钢包长水口和中间包内,探讨了典型喇叭型钢包长水口内的钢液流动的三段式湍流结构。研究发现,喇叭段长度H与出口直径D的比例对水口内流动特征影响较大。为了获得发展更为充分的水口湍流运动和避免出口回流的产生,两者比例的建议值为H/D≥4,该值适用于市场上的两类喇叭型钢包长水口。工艺参数也影响着水口内的湍流运动。当滑动水口的开口面积为一半时,在水口入口主流股的两侧形成了不同尺度的漩涡。主流股的运动轨迹呈曲率较小的弧形曲线,最终在偏向滑动水口开口侧的出口处流出,造成了出口流股的不对称性。为了进一步研究两类工业化长水口的不同冶金效果,文章进行了工业化实验研究。工业实验首先对比研究了喇叭型水口和传统型水口开浇、钢包下降和稳态浇注时的中包内的钢液飞溅、冒烟和钢液裸露的现象。结果表明,在非稳态浇注时,喇叭型水口能缓解钢液飞溅;在稳态浇注时,能获得更为平静的中包液面,这体现了该水口在改善现场操作和钢液洁净度方面的潜在作用。通过在开浇前、开浇完成时(3 min)和稳态浇注时取样分析,[Al]、[N]和T.O.检测结果表明,使用喇叭型水口时,T.O.和[N]含量相比传统型水口的都较低,相对传统型水口分别降低7.8%和8.3%。喇叭型水口对于减少[Al]损失的贡献值为21 ppm,相比传统型水口的提高幅度为6.1%。同时,文章也对比了长水口和其他控流装置的洁净化钢液的效果,结果表明,考虑到钢包长水口简单的结构设计和易操作性,钢包长水口是一个具有市场竞争力的中间包控流装置。最后,文章探索了一种新型的具有三个扩张段的耗散型钢包长水口内的湍流控制机制和应用的可能性。三个扩张段的作用主要在于促使水口内的湍流自耗散,模拟结果表明水口内最大涡量值和应变率明显增加,促进了水口内的湍动能耗散。配合喇叭型的出口段,耗散型水口的出口流股速度明显减低,且摆动较为剧烈。这些出口流股特征促进了中包内活塞区的增加,改善了中包内的整体混匀情况。然而,耗散型水口目前只停留在一个理念探索的阶段,仍然存在加工制作和实际应用方面的问题。