移動磁場作用下鋼液湍流的大渦模擬及氣液兩相流行為的研究.pdf

1、作為提高金屬冶煉效率，改善產品質量的有效輔助手段，電磁場已在冶金領域得到廣泛發(fā)展。行波磁場與旋轉磁場均屬于移動磁場范疇。本文運用現(xiàn)代流體力學的方法結合電磁場理論研究電磁場作用于冶金反應器內鋼液流動的冶金特性，利用大渦模擬方法(Large eddy simulation-LES)揭示了不同磁場條件下冶金反應器內的流動規(guī)律。研究內容及取得的主要結果包括：
　　 (1)行波磁場作用下圓柱型反應器內液體的運動規(guī)律
　　 行波磁場

2、被廣泛應用于改善金屬精煉與凝固質量，但對行波磁場作用下金屬傳輸行為的認識尚不完善，制約了行波磁場的進一步應用。本文將描述行波磁場的麥克斯韋方程與流體流動N-S方程相結合，建立了計算行波磁場作用下圓柱型冶金反應器內三維流場的數(shù)學模型。通過對典型物理過程進行模擬分析，得到的結果與文獻中提供的實驗結果吻合良好，證明了本模型和編制的計算程序的可靠性。數(shù)值分析結果表明：行波磁場作用下圓柱型反應器內的主截面上形成了兩個對稱的旋渦。當徑高比降低時，反

3、應器內的流場結構沒有改變，為兩個對稱的旋流，形狀由圓形變成長方形。當電磁力增大時，軸向方向速度曲線則由平項變?yōu)榧忭數(shù)膾佄锞€，并且電磁力越大，波項離底部壁面的距離越近。
　　 (2)離心式中間包鋼液流動的大渦模擬和物理模型試驗
　　 離心式中間包被用于特殊鋼連鑄工藝中，具有有效排除鋼液中夾雜物的優(yōu)點。但其操作特性仍未被充分掌握。并且電磁驅動旋流的效率較低，對此提出利用彎水口增大離心室內旋流強度的方法。采用自行設計的離心式中

4、間包水模型裝置，分析了旋流強度對中間包平均停留時間、死區(qū)體積分數(shù)等的影響，并對磁場強度進行了參數(shù)研究。結果表明：施加旋轉磁場能顯著地增長中間包的平均停留時間、縮小中間包的死區(qū)體積分數(shù)，有利于夾雜物的去除；選擇離心室出口面積為0.75A時、葉輪轉數(shù)為46rpm有利于改善中間包內的流場。離心式中間包內液面下凹深度與葉輪轉數(shù)的關系很重要。葉輪轉速越大，液面下凹深度越大，越可能發(fā)生卷渣；但葉輪轉速太小，旋流的強度又不夠，降低了去除夾雜物的效率。

5、通過擬合得到彎水口注流液面下凹深度和葉輪轉速的關系式為：H=-3.17×107n3+3.684×10-5n2-0.0001521n，其中：H=h/D, h為下凹深度，D為離心室直徑；n為葉輪轉數(shù)，rpm。
　　 發(fā)展了大渦模擬方法求解離心式中間包內三維湍流流場。考察了只有彎水口注流，及旋轉磁場作用下分別采用直水口、彎水口時離心式中間包內的流場結構和磁場強度對離心式中間包流場結構的影響。結果表明：當磁場強度從0.001T增大到0.

6、004T時，旋流速度的最大值從0.012m/s左右增大到0.04m/s。隨磁場強度的增加，旋流速度成線性增加。磁場強度的改變對流場結構的影響很??；本文模擬條件下，旋轉電磁力和彎水口共同作用時可使由單純電磁場產生的最大速度值增加約15％-19％。并得到了試驗驗證。
　　 (3)旋流場內底吹氣氣液兩相流運動行為的數(shù)理研究
　　 噴氣攪拌是爐外精煉中最廣泛使用的技術，但突出的問題是氬氣比較昂貴，且利用效率低。對此提出利用旋轉磁

7、場作用于底吹氣冶金反應器的方法。采用室溫模型實驗，對冶金反應器內氣液流動的混合特性進行了物理模型研究。結果表明：底吹氣過程中施加旋轉磁場能顯著縮短反應器內液體的混勻時間，細化氣泡并延長氣泡在反應器內運動路程，更加高效地去除鋼液中非金屬夾雜物；選擇吹氣位置為0.5R，葉輪轉速為60rpm,吹氣量為0.17m3/h為本試驗的最佳值。建立了旋流場底吹氣反應器內氣-液兩相流動模型?？疾炝说状禋馕恢煤痛艌鰪姸葘Ω纳品磻鲀鹊牧鲃有问胶蜌馀葸\動行為

8、的影響。結果表明：無底吹氣體時，冶金反應器內豎直截面的流場結構為四個對稱的旋渦；無旋流時，不斷上升的氣泡形成“倒錐形”的氣柱。在旋轉磁場(磁感應強度為0.007T)和底吹氣共同作用時，主截面的流場結構發(fā)生改變，即旋渦的數(shù)量增加，上升的氣泡形成了“螺旋狀氣柱”。當吹氣位置離中心的距離從0增大到0.75R時，氣泡在冶金反應器內運動的路程呈線性的增加，運動路程最大增加是無旋流時運動路程的1.54倍；當磁場強度從0增大到0.012T時，氣泡在冶