论文部分内容阅读
底吹氩钢包内所有的物理化学反应均是在钢液的流动过程中完成，改善钢包内的流场对提高钢液纯净度、去除夹杂物、均匀化学成分和温度等有重要作用。本课题以实际炼钢过程中的130t钢包的几何参数为基础，运用相似原理以1∶5的比例建立的水模型为建模原型，运用STAR-CCM+模拟软件对水模型中的流场和混匀时间进行分析。以往学者用水模型研究吹气流量、喷嘴直径等因素对混匀时间的影响时，并没有关注加入的示踪剂对混合流场的影响。针对此情况，本次模拟分别运用VOF模型和欧拉-欧拉模型研究了被动标量(没有物理属性的虚拟示踪剂)、KCl溶液示踪剂和纯水示踪剂(与水模型中液相同属性)在水模型中的流场分布和混匀时间的影响，分析示踪剂的密度和加入量对流场的影响，进一步探讨示踪剂在水模型中的“蝴蝶效应”机理。研究结果概括如下：
1)在VOF模型中，密度大于水的示踪剂(KCl溶液)沿水模型偏心侧壁面向水模型底部的向下传输速度较快，由于偏心侧底部“死区”的存在，KCl溶液在偏心侧底部向远离偏心侧的向上传输速度较慢，随后上升到顶部混合的KCl溶液向下传输速度较快。
2)在欧拉-欧拉多相流模型中，示踪剂在水模型中的主循环的传输过程为：示踪剂加入后运动至远离偏心侧区域，随后沿其壁面向下运动至底部，并在底部分别运动至气柱附近和偏心侧区域的底部，运动至气柱附近的示踪剂随气柱上升至上表面，而运动至偏心侧底部的示踪剂，沿偏心侧壁面运动至偏心侧上部1/3处的小循环流附近，在小循环流中循环流动至气柱附近，沿气柱运动至上表面，在水模型中循环运动，扩散混合。
3)示踪剂在水模型中的“蝴蝶效应”机理如下：当KCl溶液示踪剂的加入量由20mL增加到100mL时，其在水模型中的传输速度较快，示踪剂在水模型中较快达到混匀；但当加入150mL的KCl溶液示踪剂时，相对于加入的100mL的KCl溶液示踪剂，其混匀时间有所增加，这是由于偏心侧底部“不活跃区”的存在影响了示踪剂在水模型中的混匀过程。
4)针对本研究的底吹钢包水模型(底部直径、顶部直径、液面高度分别为0.538m、0.585m、0.6m)，既能监测示踪剂在水模型中的传输过程，又不干扰流场的合理的示踪剂加入数量为20mL的饱和KCl溶液，其示踪剂与水的体积比为0.134×10-3。
1)在VOF模型中，密度大于水的示踪剂(KCl溶液)沿水模型偏心侧壁面向水模型底部的向下传输速度较快，由于偏心侧底部“死区”的存在，KCl溶液在偏心侧底部向远离偏心侧的向上传输速度较慢，随后上升到顶部混合的KCl溶液向下传输速度较快。
2)在欧拉-欧拉多相流模型中，示踪剂在水模型中的主循环的传输过程为：示踪剂加入后运动至远离偏心侧区域，随后沿其壁面向下运动至底部，并在底部分别运动至气柱附近和偏心侧区域的底部，运动至气柱附近的示踪剂随气柱上升至上表面，而运动至偏心侧底部的示踪剂，沿偏心侧壁面运动至偏心侧上部1/3处的小循环流附近，在小循环流中循环流动至气柱附近，沿气柱运动至上表面，在水模型中循环运动，扩散混合。
3)示踪剂在水模型中的“蝴蝶效应”机理如下：当KCl溶液示踪剂的加入量由20mL增加到100mL时，其在水模型中的传输速度较快，示踪剂在水模型中较快达到混匀；但当加入150mL的KCl溶液示踪剂时，相对于加入的100mL的KCl溶液示踪剂，其混匀时间有所增加，这是由于偏心侧底部“不活跃区”的存在影响了示踪剂在水模型中的混匀过程。
4)针对本研究的底吹钢包水模型(底部直径、顶部直径、液面高度分别为0.538m、0.585m、0.6m)，既能监测示踪剂在水模型中的传输过程，又不干扰流场的合理的示踪剂加入数量为20mL的饱和KCl溶液，其示踪剂与水的体积比为0.134×10-3。