结晶器是控制钢水洁净度的最后环节,是连铸设备的“心脏”。连铸坯的质量缺陷与结晶器内的多尺度传输现象(湍流多尺度、相变多尺度等)密切相关。结晶器内的多尺度流动耦合传热、传质、相变、多相流等诸多过程,形成十分复杂的非均匀多物理场。对结晶器内的多尺度、多物理场流体力学行为进行深入研究,可为优化现场操作和设计更高效的新型结晶器提供指导,对于促进钢产品质量的改进和产量的提高具有重要意义。本文采用实验研究和数值模拟相结合的方法对结晶器内多尺度、多物理场流体力学行为进行系统的研究,并利用现场检测数据和物理实验数据验证了提出的多种数学模型的可靠性。主要内容包括以下几方面:整理归纳了现场钢板探伤缺陷特征。探伤缺陷是连铸厚板的主要质量缺陷之一,通过整理现场大量的钢板超声波探伤检测图谱以及对应的缺陷成分分析,归纳了典型非稳态探伤缺陷特征:钢板内不对称的“四分之一带”点状缺陷和“中心带”团状缺陷,成分主要为“气泡+夹杂物”和“簇群状夹杂物”。对结晶器内的流体力学行为进行了系统的实验研究。建立了一套直弧型结晶器系统,考察了不同操作参数对偏流及其周期和漩涡卷渣的影响。为了模拟真实上水口的吹氩过程,采用莫来石制作水模型的环状吹气装置,利用激光片光源和高速相机捕捉气泡的瞬时分布,采用ImageJ软件分析和计算气泡的粒径大小,并考察了不同操作参数对气泡粒径分布规律的影响。发展了单相大涡模拟数学模型,采用壁面函数改善了传统大涡模拟对近壁处涡黏性的预测精度,预测了结晶器内钢液的瞬态周期性流动。将该周期性流动分为“垂直段回流”和“弯曲段偏流”。在保证水口对中情况下,捕捉到了上表面的多种漩涡形态;漩涡是由水口两侧的不对称流动引起的,分布在水口附近速度较小的一侧。基于瞬态流场,采用Lagrange方法分析了氩气泡的运动/捕捉规律,发现运动至弯曲段的小气泡很难再上浮去除,最终将被凝固坯壳捕捉。构建了传热、凝固和流动现象耦合计算的大涡模拟数学模型,解决了非稳态下多物理场耦合计算的难题。研究了结晶器内凝固坯壳的生长规律和坯壳内部的瞬态流场结构,发现流场内包含大量随机分布的、不同尺度的小漩涡。建立了颗粒在凝固前沿的运动及动态诱捕模型;根据分形理论和质量守恒建立了夹杂物簇的基本特征;研究了气泡、夹杂物、夹杂物簇在凝固前沿的捕捉规律,确定了它们在铸坯内的空间分布规律。为深入研究厚板坯内的各类缺陷产生机理、避免或改进钢坯质量缺欠提供了理论依据。将先进的大涡模拟方法引入欧拉双流体模型,解决了以往湍流模型无法捕捉气相对液相造成的湍流脉动压力的难题,改善了局部湍流、气液运动参数的预测精度。揭示了连铸结晶器内氩气/钢液两相瞬态非对称流动规律。气泡的行为将直接影响结晶器内钢液的流动行为,结晶器内仍存在相当多随机分布、不同尺度的小漩涡。在结晶器上回流区发现了两种涡流形态:顺时针涡流和逆时针涡流。将人口平衡模型用于描述气泡粒径分布,通过提高当地气泡粒径的预测精度改善了单一尺寸双流体模型对结晶器内的多尺寸泡状流的预测能力。模型将气泡微观现象(聚并、破碎)与宏观属性(粒径、表面积)联系起来,通过建立必要的封闭方程及边界条件,使其能够在较大工况范围内预测结晶器内当地的气泡粒径分布。揭示了结晶器内气液两相流的动力学行为在空间、时间上的变化及气泡分布和尺寸的变化规律。扩展了传统双流体模型的适用范围,为结晶器内的多尺寸泡状流研究提供了理论基础和数学框架。根据气泡尺寸范围,建立了不同组群的气液动量传递方程,发展了求解多速度场分布的非均相多气泡组质量传递模型。并从气液湍流修正和相间作用力两方面对该模型进行改进。通过与实验数据进行比较,表明气液相间作用力和湍能修正对气液体系运动行为有重要影响。改进的模型具有较好的通用性和预测能力,可为现场操作参数的优化提供理论指导。