电磁搅拌下结晶器内夹杂物碰撞长大的数值模拟

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电磁搅拌技术能够提高铸坯质量,改善连铸品质,是连铸铸钢的关键技术之一。结晶器冶金是很多复杂现象共存的液态金属凝固过程,其中涉及钢液的流动流场、传热温度场、以及传质浓度场等多种复杂现象。本文以大方坯电磁搅拌结晶器为研究对象,利用ANSYS和CFX软件解决了电磁搅拌作用下磁场和流场的耦合问题;并在此基础上,基于颗粒浓度质量和数量守恒模型分析了电磁搅拌作用下结晶器钢液内夹杂物的运动碰撞长大行为。相关的数学模型可以分为三个部分:电磁场、结晶器内钢液流动以及夹杂物在电磁搅拌下的碰撞和聚合。得出了如下结论:  (1)未施加电磁搅拌时,钢液速度沿铸坯径向分布,钢液中心附近速度相对很小,最大切向速度位于铸坯壁面;有电磁搅拌时,结晶器出口处速度云图分布呈“M”型分布,钢液流场有两个循环涡流。有利于钢液的搅拌,从而有利于夹杂物的去除。  (2)电磁搅拌下结晶器内夹杂物颗粒之间发生碰撞凝聚主要有布朗碰撞、斯托克斯碰撞、湍流碰撞以及Archimedes碰撞。其中,湍流碰撞是主要因素,Archimedes碰撞次之,斯托克斯碰撞再次之,布朗碰撞则可以忽略不计。  (3)将Archimedes力引入传统的颗粒数量和质量守恒模型中。其中,颗粒和流体两相的相间滑动速度是三维的,碰撞源项应考虑湍流碰撞,Archimedes碰撞和斯托克斯碰撞。  (4)在没有电磁搅拌的情况下,夹杂物在自由表面的分布呈中心对称和轴对称分布,但施加电磁搅拌后,夹杂物在自由液面的分布呈中心对称分布,但不再呈轴对称分布。  (5)未施加电磁搅拌时,夹杂物的特征数量密度和特征半径呈“U”形分布,但是施加电磁搅拌后,夹杂物特征体积浓度,数量密度和特征半径具有倒“U”形分布。  (6)随着与自由液面的距离的增加,钢液中夹杂物的特征体积浓度、数量密度逐渐减小,而夹杂物的特征半径尺寸会逐渐增大。
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