六流連鑄中間包流場(chǎng)的數(shù)值模擬

PAGE2六流連鑄中間包流場(chǎng)的數(shù)值模擬摘要利用現(xiàn)有工具軟件ANSYS來(lái)模擬鋼液進(jìn)入六流中間包的過(guò)程，前期通過(guò)觀看大量ANSYS教學(xué)視頻講解，逐步上手ANSYS軟件，利運(yùn)用給定模型進(jìn)行流動(dòng)模擬得出六流中間包內(nèi)的各個(gè)截面的流場(chǎng)，壓力場(chǎng)以及溫度場(chǎng)。由于時(shí)間緊迫，對(duì)于ANSYS軟件的了解以及使用還只是一知半解，但這對(duì)于本人來(lái)講是一次奇妙的學(xué)習(xí)體驗(yàn)過(guò)程，ANSYS還有許多的功能待我們?nèi)W(xué)習(xí)去利用。在短流程煉鋼里用到的耐火材料容器稱為六流中間包，它承接了從鋼包中流下去的鋼水，再由六流中間包的六個(gè)分水口分配到各個(gè)六流結(jié)晶器里去。中間包的發(fā)明在鋼鐵工業(yè)中有著舉足輕重的地位，所以認(rèn)識(shí)了解它的原理，模型，內(nèi)部數(shù)據(jù)十分有必要。我們通過(guò)ANSYS有限元分析軟件模擬得出了六流中間包在鋼水流過(guò)的條件下的各截面的溫度場(chǎng)壓力場(chǎng)和流場(chǎng)。關(guān)鍵詞：ANSYS；六流中間包；六流溫度場(chǎng)；六流有限元分析；NumericalSimulationofFlowFieldinSix-strandContinuousCastingTundishAbstractTheexistingtoolsoftwareANSYSisusedtosimulatetheprocessofmoltensteelenteringthesix-flowtundish.ThroughwatchingalargenumberofANSYSteachingvideostoexplainintheearlystage,theANSYSsoftwareisgraduallyused,andtheflowfield,pressurefieldandtemperaturefieldofeachsectioninthesix-flowtundishcanbeobtainedbyusingthegivenmodelforflowsimulation.Duetotimeconstraints,theunderstandinganduseofANSYSsoftwareisonlyalittleknowledge,butitisawonderfullearningexperienceprocessforme.ANSYShasmanyfunctionstolearnanduse.Therefractorycontainerusedinshort-flowsteelmakingiscalledasix-flowtundish,whichreceivesthemoltensteelflowingfromtheladleanddistributesittoeachsix-flowcrystallizerthroughthesixwateroutletsofthesix-flowtundish.Theinventionoftundishplaysanimportantroleintheironandsteelindustry,soitisnecessarytoknowitsprinciple,modelandinternaldata.Wehaveobtainedthetemperaturefield,pressurefieldandflowfieldofeachsectionofthesix-flowtundishundertheconditionofsteelflowthroughbyANSYSfiniteelementanalysissoftwaresimulation.Keywords:ANSYS；;Six-streamtundish;Six-flowtemperaturefield;Six-flowfiniteelementanalysis:

目錄TOC\o"1-3"\h\u23137摘要 230473Abstract 316909第一章文獻(xiàn)綜述 6321871.1中間包數(shù)值模擬的研究方法 6136801.2中間包流場(chǎng)的有限元模型 6192731.3數(shù)學(xué)模擬方法在中間包研究中的應(yīng)用 869831.4中間包冶金學(xué)概述 9239021.5中間包的作用 93283第二章緒論 12147112.1研究背景 12281432.1.1本研究的目的和意義 1279492.1.2研究?jī)?nèi)容 13263872.1.3中間包冶金技術(shù)的發(fā)展 13266392.2ANSYS的運(yùn)用 15226292.2.1有限元分析基本理論 15292372.2.2ANSYS有限元分析的發(fā)展趨勢(shì) 16220752.2.3ANSY的軟件功能 1832761第三章六流方坯中間包流動(dòng)的數(shù)學(xué)模擬 226993.1建立控制方程 22138743.2數(shù)學(xué)模擬方案 28300823.3計(jì)算區(qū)域的選取 29173173.4網(wǎng)格劃分 29106133.5邊界條件的設(shè)定 30271473.6數(shù)學(xué)模擬計(jì)算 32271783.7模擬的結(jié)果對(duì)比與討論 3272583.7.1三種速度下速度矢量對(duì)比 33178053.7.2三種速度下溫度場(chǎng)對(duì)比 34175003.7.3三種速度下壓力場(chǎng)對(duì)比 36275603.7.4三種速度下速度場(chǎng)對(duì)比 374555第四章結(jié)論 4030139參考文獻(xiàn) 411939致謝 43

第一章文獻(xiàn)綜述 1.1中間包數(shù)值模擬的研究方法 冶金過(guò)程的數(shù)學(xué)建模（數(shù)學(xué)建模，數(shù)值模擬）是根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算傳熱、計(jì)算燃燒和冶金反應(yīng)工程的原理，利用數(shù)值方程直接用計(jì)算機(jī)求解質(zhì)量、動(dòng)量、能量和非線性連接的保守偏微分方程的方法，通過(guò)數(shù)學(xué)分析，預(yù)測(cè)流動(dòng)、傳熱等過(guò)程的細(xì)節(jié)，也就是說(shuō)，它給出了整個(gè)流動(dòng)領(lǐng)域中每個(gè)變量的細(xì)節(jié)，包括冶煉量的空間和時(shí)間分布，因此，冶煉的速率和效果，中間包冶金的特點(diǎn)是多個(gè)冶金過(guò)程都是在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行的。因此，中間包流場(chǎng)的計(jì)算流體力學(xué)解是中間包冶金的重要組成部分。利用計(jì)算機(jī)流體力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，建立了鋼水在中間包中的傳遞數(shù)學(xué)模型。對(duì)線條模擬的研究始于20世紀(jì)80年代初。但最初的研究主要是關(guān)于大量的假設(shè)帶狀物的研究。根據(jù)該項(xiàng)目，建立了一個(gè)二維數(shù)學(xué)模型，對(duì)包內(nèi)鋼水的流動(dòng)和傳熱等一些現(xiàn)象進(jìn)行模擬。中間包是典型的三維冶金反應(yīng)器，采用二維數(shù)學(xué)模型，難免會(huì)出現(xiàn)一些不足之處。這導(dǎo)致了后來(lái)的三維數(shù)學(xué)模型的發(fā)展。主要開發(fā)的流體力學(xué)軟件包有ANSYS、FLUENT、STAR-CD、CFX、PHOENICS等。1.2中間包流場(chǎng)的有限元模型 圖1.1六流中間包俯視圖圖1.2六流中間包主視圖圖1.3六流中間包軸測(cè)圖上面三圖為六流中間包內(nèi)部流動(dòng)模型通過(guò)六流中間包模型進(jìn)行內(nèi)部空間選取得出的流動(dòng)區(qū)域模型。1.3數(shù)學(xué)模擬方法在中間包研究中的應(yīng)用第一步，求解域和問(wèn)題的定義：根據(jù)問(wèn)題的實(shí)際處理方法確定解決方案領(lǐng)域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域；第二步，求解域離散，近似于求解域具有不同的有限尺寸連接在一起的有限單元的小的離散域，通常稱為有限元網(wǎng)絡(luò)的劃分。顯然，單位越?。ňW(wǎng)絡(luò)越細(xì)），離散域越接近于離散域等級(jí)越高，計(jì)算越準(zhǔn)確，但計(jì)算量和誤差都會(huì)增加，所以解析域的分化是有限元法的核心技術(shù)之一；第三步，確定狀態(tài)變量和控制方法：具體的物理問(wèn)題，通?？梢允褂靡唤M微分方程表，其中包含了問(wèn)題的狀態(tài)變量的邊界條件。它表明，為了適合于有限元的求解，通常將微分方程轉(zhuǎn)換為等效廣義函數(shù)。第四步，單位推導(dǎo)：?jiǎn)挝粯?gòu)造出合適的近似解，即推導(dǎo)出有限單位列，包括選擇合理的單位坐標(biāo)系，建立單位檢驗(yàn)函數(shù)，用某種方法給單位的狀態(tài)變量的離散關(guān)系，使其形式為單元矩陣。第五步，裝配式解：將單元裝配在離散域中的總矩陣方程中（聯(lián)合方程組），反映了近似求解域的離散域的要求，即單元函數(shù)。數(shù)字的連續(xù)性是有一定的連續(xù)性條件的。在相鄰單位的節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行組裝。狀態(tài)變量及其派生的連續(xù)性在節(jié)點(diǎn)中建立。第六步，解出一組立方體方程并解釋結(jié)果：有限元法最終得出了耦合立方體方程組的求解，可以采用直接法、替代法和隨機(jī)法。其結(jié)果是單元格節(jié)點(diǎn)中狀態(tài)變量的近似值。對(duì)于計(jì)算的結(jié)果的質(zhì)量，將通過(guò)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則提供的允許值比較來(lái)評(píng)價(jià),并確定是否需要再次計(jì)算。1.4中間包冶金學(xué)概述20多年來(lái)，中外各國(guó)高校對(duì)中間包材料冶金的研究逐漸普及，并將研究成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)中實(shí)用的技術(shù)措施。中間包冶金研究的主要內(nèi)容有:1）消除鋼液的再污染源，即防止二次氧化，減輕耐火材料的侵蝕，減少盤渣和鋼渣中不穩(wěn)定氧化物的危害。改善鋼水流動(dòng)條件，去除鋼水中的非金屬夾雜物，防止短路流動(dòng)，減少死區(qū)，改善流動(dòng)方向，增加鋼水停留時(shí)間。選擇合適的液態(tài)鋼耐火材料內(nèi)襯和表面涂層劑，減少熱損失，有利于吸收上升的夾雜物。監(jiān)測(cè)鋼水的溫度，必要時(shí)增加加熱措施，保持鋼水過(guò)熱穩(wěn)定。鋼液在夾層中的流動(dòng)不是理想的單相流動(dòng)，而是鋼液和鋼渣的復(fù)雜流動(dòng)。并伴有擴(kuò)散相粒子的碰撞和運(yùn)動(dòng)。鋼材在夾層中的溫度場(chǎng)既不是等溫線，也不是等溫線，而在非等溫條件下的傳熱和循環(huán)則互為因果。因此，對(duì)于中間件的冶金工藝而言該研究也豐富了冶金反應(yīng)的工程化。現(xiàn)代的數(shù)學(xué)和物理模擬已成為中間包包裝冶金的主要研究方法。1.5中間包的作用19世紀(jì)50年代以來(lái)，隨著貝西美爾轉(zhuǎn)爐和平爐的出現(xiàn)以及大規(guī)模煉鋼的繁榮，人類社會(huì)的文明進(jìn)步明顯加快。特別是20世紀(jì)以來(lái)，鋼鐵工業(yè)蓬勃發(fā)展，成為世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)文明進(jìn)步的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。在可預(yù)見的未來(lái)，鋼鐵在世界范圍內(nèi)仍將是一種非常重要的材料，它的綜合優(yōu)勢(shì)使其成為主要基礎(chǔ)工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施中不可替代的材料。鋼鐵以其成本競(jìng)爭(zhēng)力和大量的原材料儲(chǔ)備、易于開采和加工以及良好的可回收性，將繼續(xù)成為全球重要的基礎(chǔ)材料。在鋼鐵工業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，基本原理沒(méi)有發(fā)生根本性的變化，但鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中的工藝技術(shù)形成和工程構(gòu)成發(fā)生了巨大的變化，導(dǎo)致鋼廠的結(jié)構(gòu)模式和生產(chǎn)工藝發(fā)生了深刻的變化。20世紀(jì)50年代，作為鋼鐵工業(yè)革命的標(biāo)志，連鑄技術(shù)得到了發(fā)展，其特點(diǎn)是工藝速度快、投資集中、技術(shù)日趨成熟，1970年世界上連鑄的比例僅為5.6%，但到1990年，連鑄的比例已達(dá)到62.4%，在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，連鑄的比例已超過(guò)95%。近年來(lái)，世界上許多鋼廠都以生產(chǎn)完全連鑄代替了壓鑄，1994年實(shí)現(xiàn)完全連鑄的國(guó)家達(dá)到24個(gè)。與傳統(tǒng)壓力鑄造相比，連鑄具有提高金屬成品率、降低能耗的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)減少金屬資源和能耗，符合可持續(xù)發(fā)展的需要。實(shí)施全連鑄后，簡(jiǎn)化了鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程，縮短了工藝流程，大大提高了生產(chǎn)效率。中間包是鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中的中間環(huán)節(jié)，是鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中的中間環(huán)節(jié)，是由間歇性作業(yè)到連續(xù)作業(yè)的銜接點(diǎn)。夾層作為冶金反應(yīng)器，是提高鋼材產(chǎn)量和質(zhì)量的重要組成部分。中間包的作用不容忽視，無(wú)論是為了連鑄作業(yè)的順利進(jìn)行，還是為了保證連鑄液的質(zhì)量，中間包的作用都不可忽視。一般認(rèn)為，中介機(jī)構(gòu)的職能是：1.偏差；在多流式連鑄機(jī)中，鋼筋被多刀隔板偏轉(zhuǎn)。2.連鑄機(jī)的作用。在多爐連鑄的情況下，中間鋼包中儲(chǔ)存的液體在更換轉(zhuǎn)鼓時(shí)起到粘結(jié)作用。3.減壓效果。盛鋼筒內(nèi)的液面高度為5-6m，沖擊力非常大，在鑄造過(guò)程中的變化幅度也很大。間隔斗的高度比保溫桶要低，變化幅度也要小得多，所以可以用來(lái)穩(wěn)定澆注過(guò)程，減少鋼水流動(dòng)對(duì)凝固結(jié)晶器殼體的影響。4.去除雜質(zhì)；間隔桶作為鋼水凝固前最后一個(gè)耐火容器，對(duì)鋼水的質(zhì)量有重要影響，應(yīng)盡可能在鋼水處于液態(tài)時(shí)將非金屬夾雜物顆粒從鋼水中排除。5.保護(hù)作用。鋼包內(nèi)的鋼材通過(guò)鋼包表面蓋板、長(zhǎng)管等保護(hù)裝置減少外部污染。中間包的冶金學(xué)研究應(yīng)該發(fā)揮的作用是1、改善鋼水的流動(dòng)條件，最大限度地消除鋼水中的非金屬夾雜物；即避免短路流動(dòng)，減少死區(qū)，改善流動(dòng)方向，增加鋼水的停留時(shí)間。2、控制好鋼液的溫度，必要時(shí)增加加熱措施，使鋼液的過(guò)熱程度保持穩(wěn)定。3、選擇合適的耐火襯里材料和熔池覆蓋劑，既能減少熱損失，又能促進(jìn)分離吸收和夾雜物提升。計(jì)算流體力學(xué)是研究各種流場(chǎng)的一種非常有效的方法。層間冶金的特點(diǎn)是鋼液流動(dòng)中的各種冶金過(guò)程，因此可以用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法求解層間流場(chǎng)。由于中間包結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，除早期采用二維流場(chǎng)計(jì)算外，基本上都是通過(guò)三維流場(chǎng)計(jì)算來(lái)解決。優(yōu)道公司此前對(duì)三維流場(chǎng)計(jì)算進(jìn)行了研究，利用其計(jì)算程序計(jì)算出了各種鋼液中間包的流動(dòng)特性和影響因素，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了三維流場(chǎng)計(jì)算。肖澤強(qiáng)等人將自己的成果應(yīng)用于長(zhǎng)期研究鋼液對(duì)氬氣吹入盛鋼桶的流動(dòng)，還計(jì)算出了各種夾層中的流場(chǎng)，并較早地指出了非等溫態(tài)夾層中的流場(chǎng)研究，指出不能忽視自然對(duì)流的影響，并對(duì)水模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。計(jì)算流體力學(xué)方法是目前中級(jí)包冶金分析的主要手段，隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的快速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)將在冶金科學(xué)技術(shù)中得到更廣泛的應(yīng)用。

第二章緒論2.1研究背景2.1.1本研究的目的和意義中間包作為冶金反應(yīng)器中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，可以提高鋼的產(chǎn)量和質(zhì)量。它不僅起到儲(chǔ)存和分配鋼水的作用，而且還起到浮除鋼水中非金屬夾雜物的作用。它是防止鋼水二次氧化，減少鋼水內(nèi)部氧化的重要場(chǎng)所，起到去除夾雜物及防止鋼包渦流夾渣等重要作用。近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多冶金工作者應(yīng)用物理模擬和數(shù)學(xué)建模來(lái)模擬中間包內(nèi)部流動(dòng)情況。本次用到的是數(shù)學(xué)模擬，通過(guò)ANSYS軟件來(lái)進(jìn)行有限元分析，得出想要的過(guò)程數(shù)據(jù)。有限元分析的基本概念是用簡(jiǎn)單問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題，然后解決它。它把解域看作稱為有限元的小互連子域合成，假設(shè)每個(gè)元素有一個(gè)合適的近似解，然后推導(dǎo)出解。該域滿足條件，從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不并不完全準(zhǔn)確，但是一個(gè)近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被一個(gè)更簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。因?yàn)榇蠖鄶?shù)數(shù)值問(wèn)題很難得到精確解，有限元法不僅具有較高的計(jì)算精度，而且它能適應(yīng)各種復(fù)雜情況，成為一種有效的工程分析方法。有限元是離散的薄片，可以一起表示實(shí)際的連續(xù)區(qū)域單元。有限元的概念在幾個(gè)世紀(jì)前就已經(jīng)產(chǎn)生和應(yīng)用了，例如用多邊形用于近似圓以獲得圓的周長(zhǎng)，但它是作為一種方法提出的時(shí)候，已經(jīng)是最近的事情了。有限元法最初被稱為矩陣近似法，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算中，由于其方便、實(shí)用、有效，這引起了從事機(jī)械研究的科學(xué)家的極大興趣。幾十年后隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的急速發(fā)展和普及，有限元法得到了迅速的發(fā)展。從結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，它是一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛、實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS開發(fā),它能與多數(shù)CAD軟件接口,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換,是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。軟件主要包括三個(gè)部分:前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具,用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型;分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析(可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析,可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用,具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力;后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來(lái),也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出,軟件提供了100種以上的單元類型,用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。本次模擬是用給定的六流連鑄中間包，來(lái)進(jìn)行流動(dòng)模擬，旨在讓學(xué)生學(xué)習(xí)與實(shí)踐結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)習(xí)能力，熟練使用模擬軟件，了解仿真模擬在工程中的重要性。2.1.2研究?jī)?nèi)容 通過(guò)學(xué)習(xí)中間包冶金科學(xué)技術(shù)，利用ANSYS軟件，建立六流中間包模型，進(jìn)行鋼液在中間包內(nèi)的流動(dòng)模擬，用三個(gè)速度進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，分別為原始速度、0.7倍原始速度、1.3倍原始速度，計(jì)算之后比較各組各個(gè)截面的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)以及流線。2.1.3中間包冶金技術(shù)的發(fā)展 20世紀(jì)50年代，連鑄技術(shù)的發(fā)展是鋼鐵工業(yè)革命的重要標(biāo)志。20世紀(jì)50年代中期，連鑄技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)階段。連鑄在20世紀(jì)60年代得到了廣泛應(yīng)用，由于弧形連鑄機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，連鑄技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。1970年，世界連鑄比只有5.6%，但1990年，世界連鑄比達(dá)到62.4%，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，連鑄比達(dá)到95%以上。近年來(lái)，世界上許多煉鋼廠已相繼用全連鑄生產(chǎn)取代了模鑄生產(chǎn)。到1994年，24個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)了全連鑄。連鑄技術(shù)在中國(guó)也得到了很大的發(fā)展。早在1958年，中國(guó)就建成了第一套連鑄設(shè)備。到20世紀(jì)80年代中后期，連鑄技術(shù)在中國(guó)得到了迅速發(fā)展。1978年，我國(guó)連鑄板坯產(chǎn)量從121.7萬(wàn)噸提高到連鑄比的22.3%；1994年，連鑄板坯產(chǎn)量增加到3885.03萬(wàn)噸，連鑄比增加到40.3%；1997年，連鑄板坯產(chǎn)量達(dá)到6606萬(wàn)噸，連鑄比達(dá)到60.65%；2004年，連鑄板坯產(chǎn)量達(dá)到2696萬(wàn)噸，連鑄比達(dá)到96.3%；2006年，中國(guó)的連鑄比達(dá)到98.57%。隨著連鑄生產(chǎn)的快速增長(zhǎng)，中國(guó)鋼鐵產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)了高效、連續(xù)、快速的增長(zhǎng)。連鑄技術(shù)的發(fā)展不僅是為了提高連鑄比，也是為了提高連鑄板坯的質(zhì)量。為了保證連鑄高質(zhì)量的鋼坯，鋼水必須有足夠的純凈度，鋼水的成分范圍應(yīng)盡可能精確控制鋼水的溫度和過(guò)熱度，并使其長(zhǎng)期保持穩(wěn)定。所以人們更加關(guān)注鋼包冶金的作用和地位。然而，當(dāng)鋼包冶金中鋼水的純度提高時(shí)，鋼水再污染的風(fēng)險(xiǎn)更大。隨著鋼水與環(huán)境(大氣、耐火材料等)之間雜質(zhì)濃度差(或化學(xué)電位差)的增加，再污染的可能性和速度將會(huì)增加。連鑄中間包是一個(gè)內(nèi)襯耐火材料的容器，它在鑄造過(guò)程中并覆蓋有頂渣。當(dāng)鋼水停留在中間包中時(shí)，它將與周圍區(qū)域接觸，環(huán)境中總是有熱交換和物質(zhì)交換。因此，在鋼水通過(guò)中間包的過(guò)程中，會(huì)發(fā)生一些事情，物理和化學(xué)的變化是不可避免的。因此，在鋼包冶金之后，中間包冶金變得越來(lái)越重要。“中間包冶金”的概念是在20世紀(jì)80年代初提出的。中間包冶金是一種特殊的爐外精煉技術(shù)，從熔化精煉到生產(chǎn)固態(tài)連鑄板坯，是保證鋼質(zhì)量的關(guān)鍵。中間包冶金的主要功能如下:分流功能:特別是對(duì)于一臺(tái)多流中間包的機(jī)器，其重要的基本功能是分流。由于中間包的幾何形狀受多種因素的限制，對(duì)于三流以上的連鑄機(jī)來(lái)說(shuō)，合理、均衡、穩(wěn)定的分流是中間包的重要功能之一，有利于夾雜物的排出。凈化功能:為提高鋼的純度，如在中間包采用堰壩、吹氬、陶瓷過(guò)濾等措施，可顯著降低鋼中非金屬夾雜物的含量。調(diào)溫功能:為了使中間包澆注前后鋼水的溫差小于5℃，盡可能接近澆注的液相線溫度，從而擴(kuò)大板坯的等軸晶區(qū)，減少中心偏析。成分微調(diào):將鋁、鈦、硼等芯線加入或喂入中間包或從中間包塞棒中心孔喂入模具，實(shí)現(xiàn)鋼中合金成分的微調(diào)，可提高易氧化元素的產(chǎn)量，減少水口堵塞。精煉功能:在中間包鋼水表面加入處理渣，吸收鋼中的漂浮夾雜物，或改變中間包進(jìn)料線中Al2O3夾雜物的形態(tài)。加熱功能：中間包采用感應(yīng)加熱或離子加熱等措施，可將鋼水澆注溫度波動(dòng)精確控制在±3~5℃范圍內(nèi)。其中，鋼水的凈化、調(diào)溫和加熱是近20年來(lái)中間包冶金研究的熱點(diǎn)，一些研究成果已轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的技術(shù)措施。尤其是近年來(lái)，中間包鋼水凈化技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。過(guò)去，為了做中間包夾雜物的去除主要采用防止鋼水再次被污染的技術(shù)，更換鋼包時(shí)盡量減少鋼包渣。鋼包到中間包澆注采用長(zhǎng)水口，防止鋼液與包襯耐火材料的反應(yīng)，中間包密封技術(shù)等。上世紀(jì)七八十年代，出現(xiàn)了在中間包安裝流量控制裝置的措施。以改變中間包內(nèi)鋼水的流動(dòng)規(guī)律。目前，為提高鋼水潔凈度，已開發(fā)出湍流控制器、離心中間包和旋轉(zhuǎn)管閥等新技術(shù)。為了在中間包內(nèi)，需要鋼水創(chuàng)造良好的條件，使夾雜物不隨注入流流入結(jié)晶器而向上漂浮。中間包內(nèi)有合理的流型和足夠的停留時(shí)間，使夾雜物浮到中間包液位。2.2ANSYS的運(yùn)用 2.2.1有限元分析基本理論 有限元分析的基本概念是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜的問(wèn)題，我們?nèi)缓笤偃ハ朕k法求解。他把解的域看作是許多小的相互聯(lián)系的集合，稱為有限元的集合，子域的組成，假設(shè)有一個(gè)適合于每個(gè)單元的粗略解，然后推導(dǎo)出解。這個(gè)域滿足了條件，從而得出了問(wèn)題的解。這不是一個(gè)確切的解。而是用一個(gè)比較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替了實(shí)際問(wèn)題，是一種粗略的解決方法。實(shí)際的數(shù)的問(wèn)題很難精確地解決，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且有限元具有適應(yīng)各種復(fù)雜形狀的能力，是一種有效的工程分析工具。有限元是指那些離散的元素。這項(xiàng)研究對(duì)機(jī)械科學(xué)工作者來(lái)說(shuō)是非常有意義的。經(jīng)過(guò)短短幾十年的時(shí)間，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，有限元方法迅速地從結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。它是一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛、實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。在20世紀(jì)60年代初，第一次Clough教授在結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算中引入了有限元的概念，比喻為"有限元"。將其特征化為：/有限元法=RayleighRitz法+分片函數(shù)0。將函數(shù)定義在簡(jiǎn)單幾何形狀的單元域上,且不考慮整個(gè)定義域的復(fù)雜邊界條件,這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。2.2.2ANSYS有限元分析的發(fā)展趨勢(shì) 有限元這個(gè)術(shù)語(yǔ)最早出現(xiàn)在1965年，直到今天，有限元仍在工程領(lǐng)域中廣泛使用。它在工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在理論和算法方面都有30多年的發(fā)展歷史。變得越來(lái)越好了，一天比一天好。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，以及計(jì)算機(jī)速度的提高持續(xù)改進(jìn)，有限元分析在工程設(shè)計(jì)和分析中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。它已成為解決復(fù)雜工程分析和計(jì)算問(wèn)題的有效手段?，F(xiàn)在從汽車到航天飛機(jī)，幾乎所有的東西都是在設(shè)計(jì)和制造上受到限制。機(jī)械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木工程等領(lǐng)域的性能元分析計(jì)算。建筑、電子、國(guó)防軍工、船舶、鐵路、石油化工、能源、科研等。在設(shè)計(jì)的層面上，很多領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，特別是有以下幾個(gè)方面：1）與CAD軟件的無(wú)縫集成當(dāng)今FEA軟件的趨勢(shì)之一是與通用CAD軟件一起工作。CAD軟件的綜合利用，即完成零部件的建模后，即完成零部件的綜合利用。將模型直接傳輸?shù)紺AE軟件中，用于有限元網(wǎng)格劃定和有限元網(wǎng)格劃定。分析計(jì)算，如果分析結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求，重新設(shè)計(jì)和分析，直到滿意為止，從而大大提高了設(shè)計(jì)水平和效率。2）更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)處理能力有限元法解題的基本過(guò)程主要包括：對(duì)離散對(duì)象的分析的三個(gè)部分是：化學(xué)、有限元解和計(jì)算結(jié)果的后處理。由于結(jié)構(gòu)是離散的網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響到解析時(shí)間和結(jié)果的正確性。多年來(lái)，軟件開發(fā)者加大了對(duì)網(wǎng)格處理的投入，使網(wǎng)格大大提高了生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。對(duì)于很多工程實(shí)際問(wèn)題的情況下，在整個(gè)求解過(guò)程中，模型的某些地方會(huì)有很大的壓力。導(dǎo)致裝置中的變形，造成溶液失效或溶液不正確的結(jié)果，因此，網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)再分配是必要的。自適應(yīng)嚙合通常是許多工程問(wèn)題的主題，如裂紋擴(kuò)展、箔片形成等。是變形分析的必要條件。3）從線性問(wèn)題解決向非線性問(wèn)題解決的轉(zhuǎn)變隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)中的許多工程問(wèn)題，如材料的損壞和失效、裂紋擴(kuò)展等，完全依賴于線性理論根本無(wú)法解決，必須用非線性分析法來(lái)解決。對(duì)膠水、陶瓷、混凝土、土工等材料的分析，可能需要考慮材料的可塑性、在結(jié)轉(zhuǎn)效應(yīng)的情況下，必須考慮到材料的非線性。4）單結(jié)構(gòu)場(chǎng)解對(duì)耦合場(chǎng)問(wèn)題的解決方法的發(fā)展歷程有限元分析方法最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，主要用于解決航空航天領(lǐng)域的線性結(jié)構(gòu)問(wèn)題，事實(shí)證明，這是一種非常有效的數(shù)值分析方法。目前，解決線性結(jié)構(gòu)問(wèn)題的有限元方法和軟件已較多地應(yīng)用于解決線性結(jié)構(gòu)問(wèn)題。發(fā)展方向是結(jié)構(gòu)非線性、流體力學(xué)和耦合場(chǎng)問(wèn)題的解決。隨著有限元的應(yīng)用越來(lái)越復(fù)雜，所關(guān)注的問(wèn)題也越來(lái)越復(fù)雜。耦合領(lǐng)域的解決方案，希望能成為ANSYS軟件的發(fā)展方向。5）以用戶為中心的程序開放隨著營(yíng)銷力度的加大，軟件開發(fā)商都在尋求擴(kuò)大市場(chǎng)份額為了滿足用戶的需求，我們?cè)谲浖墓δ芎鸵子眯陨匣瞬簧馘X但由于用戶的需求千差萬(wàn)別，無(wú)論用戶如何嘗試，都會(huì)有很大的差異。可以滿足所有用戶的需求，所以要給用戶一個(gè)開放的環(huán)境。允許用戶根據(jù)自己的實(shí)際情況對(duì)軟件進(jìn)行擴(kuò)展，包括用戶定義的程序。用戶定義的材料結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)、熱結(jié)構(gòu)、流體結(jié)構(gòu)）。例如，用戶定義的流場(chǎng)邊界條件、用戶定義的結(jié)構(gòu)斷裂準(zhǔn)則和斷裂準(zhǔn)則、谷物膨脹的規(guī)律等。2.2.3ANSY的軟件功能 a.預(yù)處理模塊：實(shí)體建模和網(wǎng)格化1）ANSYS程序提供了兩種實(shí)體建模方法：自上而下和自下而上。當(dāng)從上至下對(duì)實(shí)體進(jìn)行建模時(shí)，用戶定義了模型的最高級(jí)別，球體、棱鏡等圖形元素被稱為基元，程序自動(dòng)定義了相關(guān)的面、線、鎖等圖形元素。關(guān)鍵點(diǎn)：用戶使用這些高級(jí)元素直接構(gòu)建幾何模型，如二維圓等，用戶可以使用這些高級(jí)元素（長(zhǎng)方形，以及三維塊、球、圓錐和圓柱）直接構(gòu)建幾何模型。無(wú)論是自上而下還是自下而上的使用，自下而上的建模，用戶可以使用布爾運(yùn)算來(lái)組合數(shù)據(jù)集，從而使/ANSYS程序提供了完整的布爾運(yùn)算。像加法、減法、相交、相乘、除法、聯(lián)接和疊加的東西。在創(chuàng)建復(fù)雜實(shí)體的模型時(shí)對(duì)線、面、體和基元進(jìn)行布爾運(yùn)算，可以減少大量的建模工作。ANSYS程序還提供拖放、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、擴(kuò)展和復(fù)制等功能。殼的實(shí)體模型的功能加倍。其他特點(diǎn)還包括弧線的構(gòu)造、切線的構(gòu)造和面與車身相交、線與面的自動(dòng)計(jì)算，通過(guò)拖動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，自動(dòng)計(jì)算出面與車身相交、線與面的自動(dòng)生成倒角，創(chuàng)建、移動(dòng)、復(fù)制和刪除硬點(diǎn)，用于網(wǎng)格分割。對(duì)于自下而上的實(shí)體建模，用戶從最底層的元素向上建立模型。也就是說(shuō)，用戶首先確定關(guān)鍵點(diǎn)，然后按這個(gè)順序依次是相關(guān)的線、面、體。2)ANSYS程序?yàn)镃AD模型提供了用戶友好的、高質(zhì)量的輸入行格的劃分功能。它包括四種網(wǎng)格分割方法：擴(kuò)展分割、圖像分割、圖像劃界、自由劃界和適應(yīng)性劃界延伸的網(wǎng)絡(luò)劃分，使二維網(wǎng)絡(luò)可以被網(wǎng)絡(luò)延伸成一張立體的網(wǎng)。圖像網(wǎng)格的劃分使用戶可以放置幾何模型。將其分解成簡(jiǎn)單的部分，然后選擇合適的單元格屬性和網(wǎng)格控件。ANSYS自由分格器的功能非常強(qiáng)大，復(fù)雜模型的大而直接的劃分，避免了用戶對(duì)復(fù)雜模型的單獨(dú)劃分的需要組裝時(shí)各部分網(wǎng)絡(luò)的不匹配的問(wèn)題，沒(méi)有完成。適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拆分是指帶邊界條件的實(shí)體模型生成后，用戶指示用戶使用網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程。序列自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格，分析、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，然后再重新生成新定義的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，重新分析計(jì)算，估計(jì)離散網(wǎng)絡(luò)誤差，直到誤差達(dá)到差額小于用戶定義的值或達(dá)到用戶定義的解數(shù)。b.解決方案模塊在預(yù)處理階段完成建模后，用戶可以在解析階段獲得分析結(jié)果。結(jié)果：在這個(gè)階段，用戶可以定義分析類型、分析選項(xiàng)、數(shù)據(jù)加載等。ANSYS軟件提供的分析具體類型如下：1)靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析。靜力分析非常適用于解決慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不大的問(wèn)題ANSYS程序中的靜態(tài)分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且還可以進(jìn)行并行塑性、蠕變、蠕變、膨脹、高變形、高應(yīng)力等非線性分析和暴露分析。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析。采用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析法解決時(shí)間依賴性問(wèn)題。荷載對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的影響。與靜態(tài)分析不同，動(dòng)態(tài)分析需要考慮力載荷隨時(shí)間的變化及其對(duì)阻尼和慣性的影響。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的類型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析。狀態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析和隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。3）結(jié)構(gòu)性非線性分析。結(jié)構(gòu)非線性會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或構(gòu)件發(fā)生反應(yīng)。ANSYS程序能夠解決靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問(wèn)題。包括物質(zhì)非線性、幾何非線性、單位非線性等。4）動(dòng)力學(xué)分析：ANSYS程序可以分析大型三維軟體的運(yùn)動(dòng)情況。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的累積效應(yīng)發(fā)揮較大的作用時(shí)，這些特點(diǎn)可以用來(lái)分析復(fù)雜的結(jié)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性及由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變，諸如此類。5）熱分析。程序可以處理三種基本的傳熱類型：傳導(dǎo)，對(duì)流和輻射。所有三種類型的傳熱方式都有：穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性。線性分析。另外，熱分析有相，可以模擬材料的固化和熔化過(guò)程。仿真熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化分析及耦合熱結(jié)構(gòu)分析能力。6）電磁場(chǎng)分析。主要用于分析電磁場(chǎng)問(wèn)題，如電感、電學(xué)問(wèn)題等。體積、磁通密度、磁通密度、渦流、電場(chǎng)分布、力的軌跡分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電。它還可用于電磁閥、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)和分析磁鐵、加速器、電解器和無(wú)損檢測(cè)設(shè)備。7）流體分析：ANSYS流體單元可以進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析。分析有兩種類型，即瞬時(shí)和靜止。分析結(jié)果存儲(chǔ)在通過(guò)每個(gè)單元的壓力和流量以及后處理能力，以實(shí)現(xiàn)圖形化顯示生物壓力、流速和溫度分布。另外，3D所述表面效應(yīng)單元和所述熱流體單元模擬所述結(jié)構(gòu)周圍的流體流動(dòng)，所述表面效應(yīng)單元和所述熱流體單元包括分析所述表面效應(yīng)單元和所述熱流體單元這是一種熱傳導(dǎo)效應(yīng)。8）聲場(chǎng)分析：利用程序的聲學(xué)能力來(lái)研究流體在含流體介質(zhì)中的影響。分析聲波在質(zhì)量中的傳播，或者分析浸入流體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。這些功能可以用來(lái)考察話筒的頻率響應(yīng)，考察音樂(lè)廳的聲音，預(yù)測(cè)水對(duì)振動(dòng)船體的阻尼效果。9）進(jìn)行壓電分析。用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對(duì)交流（交流電）和直流（直流電）的影響(DC)或?qū)﹄娏骰驒C(jī)械負(fù)載隨時(shí)間變化的響應(yīng)。分析型可用于熱交換器、振蕩器、諧振器和傳聲器等電氣元件?？蛇M(jìn)行四種類型的分析:模態(tài)分析、靜態(tài)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析、諧波響應(yīng)分析。C.后期處理模塊ANSYS軟件中的后處理過(guò)程包括兩部分。POST1和時(shí)間課程后處理模塊POST26。溶解處理的計(jì)算結(jié)果可以很容易得到并顯示出來(lái)。這些結(jié)果可能包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度、熱流等形式的輸出。它既有圖形顯示，又有數(shù)據(jù)列表。1）一般的后處理模塊POST1.該模塊在前面的你可以通過(guò)圖形化的方式查看，也可以導(dǎo)出。例如，模型上的計(jì)算結(jié)果(例如，應(yīng)力)可以用以下方式顯示出來(lái)，可以用不同的等高線圖來(lái)表示，用不同的等高線顏色代表不同的等高線的差異。相同的值（如，應(yīng)力值）。用不同的顏色來(lái)表示不同的數(shù)值。例如，應(yīng)力范圍，清楚地反映了計(jì)算結(jié)果的區(qū)域分布。2）時(shí)間課程響應(yīng)后處理模塊POST26。在一個(gè)時(shí)期或過(guò)程中的結(jié)果，如節(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)力或分支反應(yīng)等。這些結(jié)果可以通過(guò)繪制曲線或列表的方式來(lái)看。繪制一個(gè)或多個(gè)變量。隨頻率和其他量的變化而變化的曲線有助于分析結(jié)果的直觀化。第三章六流方坯中間包流動(dòng)的數(shù)學(xué)模擬3.1建立控制方程這里的數(shù)學(xué)模型是在以下的假設(shè)條件中建立起的：穩(wěn)定流是中間包內(nèi)鋼液流動(dòng)狀態(tài)；b)密度ρ為常數(shù)，即忽略溫度對(duì)密度的影響；c)不考慮鋼液的表面渣層影響。鋼液在中間包流動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜湍流流動(dòng)的過(guò)程，連續(xù)性方程、，描述湍流模型的k?ε雙方程模型以及動(dòng)量方程即納維爾-斯托克斯（Navier-Stokes）方程可以描述鋼液在中間包內(nèi)流動(dòng)的方程。1)連續(xù)方程鋼液在中間包內(nèi)流動(dòng)應(yīng)該滿足質(zhì)量守恒關(guān)系：(3-1)2)動(dòng)量方程鋼液由鋼包進(jìn)入中間包里，呈湍流狀態(tài)在中間包內(nèi)的流動(dòng)，描述鋼液湍流流動(dòng)的湍流納維爾—斯托克斯（Navier-Stokes）方程如下所示：(3-2)在推導(dǎo)上述方程過(guò)程中，并沒(méi)有區(qū)分流動(dòng)的類型，正因這樣可以認(rèn)為納維爾－斯托克斯方程和連續(xù)性方程也適用于紊流流動(dòng)，只是各個(gè)變量用瞬時(shí)的變量替換。以這兩個(gè)基本方程為出發(fā)點(diǎn)，可以得到大量符合實(shí)際的數(shù)值模擬結(jié)果，證實(shí)上述結(jié)論成立。從理論上來(lái)講，在處理湍流的問(wèn)題時(shí)，利用給出的邊界條件和初始條件，跟據(jù)基本方程，可以得出表明系統(tǒng)狀態(tài)的壓力、速度等瞬時(shí)變量在空間分布以及隨著時(shí)間的變化，即獲得了湍流結(jié)構(gòu)。但是由于受到了計(jì)算機(jī)計(jì)算速度和存儲(chǔ)量的限制，目前要這樣做還夠不現(xiàn)實(shí)。但對(duì)于像中間包這樣的問(wèn)題，迫切需要的是湍流量的平均值。因此，在分析中間包中發(fā)生的物質(zhì)傳輸過(guò)程時(shí)，我們迫切需要的是它們的平均值。這樣對(duì)方程式(3-1)和(3-2)中的瞬時(shí)量，進(jìn)行時(shí)均處理操作，可以得出：(3-3)(3-4)則不可壓縮流體湍流流動(dòng)的時(shí)均運(yùn)動(dòng)方程和時(shí)均連續(xù)方程為：(3-5)-湍流流動(dòng)過(guò)程的時(shí)均流速m/s。在三維直角坐標(biāo)系下用u，v，w來(lái)表示x，y，z三個(gè)方向上的時(shí)均流速的情況下，(3-5)式可以變成：(3-6)在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)下、且鋼液的密度是定值時(shí)，式(3-6)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化，如下：(3-7)在鋼液的密度是定值的條件下，式(3-4)可簡(jiǎn)化成為：(3-8)稱為雷諾應(yīng)力（Reynoldsstress），是一種二階對(duì)稱應(yīng)力張量。由于雷諾應(yīng)力的出現(xiàn)，造成了體系中未知數(shù)的個(gè)數(shù)超過(guò)了獨(dú)立方程的個(gè)數(shù)，造成方程組的缺項(xiàng)。為了使方程變得封閉，用來(lái)求解，必須要補(bǔ)充所缺少的方程式，所以湍流理論所需要解決的問(wèn)題正是如此。如此獲得雷諾應(yīng)力的方式，在湍流理論中稱湍流模型。即使湍流的流動(dòng)過(guò)程現(xiàn)象極其的復(fù)雜，對(duì)其研究也沒(méi)有得到完全的成功，但在之前的幾十年間里獲得了相當(dāng)大的進(jìn)展。鮑辛內(nèi)斯克式是早期提出湍流模型的學(xué)者，他在1877年提出這個(gè)概念，他將時(shí)均速度梯度與雷諾應(yīng)力關(guān)聯(lián)起來(lái)，用類似于牛頓定律的形式表示出來(lái)什么是局部湍流。應(yīng)力與時(shí)均流速度梯度成正比。這里對(duì)于雷諾應(yīng)力直接使用廣義鮑辛內(nèi)斯克渦團(tuán)粘度模型：(3-9)(3-10)式中：-雷諾應(yīng)力，N/m2；-與主流方向垂直的空間坐標(biāo)，m；-為湍流動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)或湍流粘度系數(shù)，Pa·s。-主流方向時(shí)均流速度，m/s；(3-11)將式(3-10)和式(3-11)帶入（3-8）式中：(3-12)式中：(3-13)是在i方向上單位體積流體所受重力的分力。由于在一般情況下壓力梯度項(xiàng)的數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于重力項(xiàng)數(shù)值，如不進(jìn)行特殊條件處理，壓力梯度變化對(duì)流場(chǎng)的影響就難以在數(shù)值計(jì)算中體現(xiàn)出來(lái)了，這樣會(huì)直接影響數(shù)值求解的收斂性和校正過(guò)程。一般的處理方法是增強(qiáng)壓力梯度項(xiàng)的重要性，重新定義壓力項(xiàng)如下：(3-14)所以：(3-15)將(3-15)式代入式(3-12)，得出：(3-16)對(duì)上式進(jìn)行進(jìn)一步簡(jiǎn)化，因?yàn)槭遣欢ㄊ剑允?3-16)變化為：(3-17)利用三維直角坐標(biāo)系，用u，v，w來(lái)表示x，y，z三個(gè)方向上的時(shí)均速度，上式可以表示為：(3-18)(3-19)(3-20)3)雙方程模型，由式(3-12)與式(3-8)對(duì)比可以看出來(lái)，兩式的差別僅僅在于粘度系數(shù)。式12用有效粘度系數(shù)代替了式8的分子粘度系數(shù)μ。這樣的話湍流粘度系數(shù)模型通過(guò)給出時(shí)均速度與雷諾系數(shù)之間的關(guān)系式，把均流方程的不封閉性轉(zhuǎn)移到湍流粘度系數(shù)上，把問(wèn)題歸結(jié)到的上面?？梢杂猛牧鞯哪Ｐ蛠?lái)計(jì)算。所謂的湍流模型，就是把與湍流的時(shí)均參數(shù)關(guān)聯(lián)起來(lái)的關(guān)系式?，F(xiàn)代應(yīng)用中的湍流模型有單方程模型、零方程模型、修正的k?ε模型、k?ε雙方程模型、代數(shù)應(yīng)力模型、k?w模型、湍流渦旋學(xué)說(shuō)的大渦模擬(LES)、湍流應(yīng)力模型等。代數(shù)應(yīng)力模型與單方程模型僅能反映出當(dāng)?shù)赝牧鞯挠绊?，不能反映擴(kuò)散與對(duì)流的效應(yīng)，只能用于模擬較簡(jiǎn)單的湍流流動(dòng)模型。應(yīng)用最為廣泛的是k?w雙方程模型。研究數(shù)據(jù)表明，標(biāo)準(zhǔn)的k?ε模型對(duì)注入?yún)^(qū)的模擬比較好；k?ε模型可自動(dòng)模擬層流向湍流的轉(zhuǎn)捩，但式得到由層流向湍流的轉(zhuǎn)捩點(diǎn)較實(shí)驗(yàn)值低。盡管這樣，實(shí)際上對(duì)中間包進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，很多研究者依舊采用Spalding和Launder提出的k?ε雙方程模型。k?ε雙方程模型的控制方程為：k方程：(3-21)ε方程：(3-22)式中：(3-23)所有上述式中，均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，采用Spalding和Launder的推薦值，如下：。耗散率ε和湍動(dòng)能k通常用同一個(gè)通式表示：(3-24)湍動(dòng)能k(Φ=k)：(3-25)(3-26)耗散率ε(Φ=ε)：(3-27)(3-28)在直角坐標(biāo)系下，取Γ為常數(shù)，(3-24)式可以變成：(3-29)其中：(3-30)3.2數(shù)學(xué)模擬方案采用整體六流連鑄中間包，本次準(zhǔn)備的數(shù)學(xué)模擬方案有以下3種，具體方案如下所示：浸入式水口與出水口設(shè)置膨脹層，鋼液入口速度設(shè)為1.4m/s；浸入式水口與出水口設(shè)置膨脹層，鋼液入口速度設(shè)為0.98m/s（入口速度降低百分之三十）；浸入式水口與出水口設(shè)置膨脹層，鋼液入口速度設(shè)為1.82m/s（入口速度增加百分之三十）。3.3計(jì)算區(qū)域的選取由于是剛剛?cè)腴Tansys軟件，模型的建立不是很熟練，一般正常的中間包都是對(duì)稱形狀，所以網(wǎng)格劃分包括計(jì)算過(guò)程都是采用一半的模型，從中間平分模型，減少了網(wǎng)格數(shù)量，既可以節(jié)省計(jì)算的工作量還能提升計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度。但是我們本次不采用二分之一算法，我們?yōu)榍笥?jì)算的準(zhǔn)確性，降低容錯(cuò)率，使用整體模型進(jìn)行模擬運(yùn)算。

3.4網(wǎng)格劃分統(tǒng)一設(shè)置為25mm。見下圖3.1圖3.1網(wǎng)格劃分之后的六流中間包以初始模型（v=1.4m/s）為例，網(wǎng)格劃分之后可以得到1042584個(gè)節(jié)點(diǎn)，5651738個(gè)網(wǎng)格。圖3.2截取的網(wǎng)格數(shù)和節(jié)點(diǎn)3.5邊界條件的設(shè)定當(dāng)進(jìn)行正常澆筑時(shí)，計(jì)算整個(gè)中間包區(qū)域，設(shè)置邊界條件如下：首先將六個(gè)出口設(shè)置為自然出流（outflow），與六個(gè)出口最近相切的面設(shè)置為下壁面，類型為墻，熱邊界條件散熱設(shè)置為1400W/m^2；入口設(shè)為速度入口，初設(shè)溫度設(shè)為1803K；與入口相切的壁面，我們叫它入口壁面，熱邊界條件設(shè)置為1700W/m^2；出口壁面同樣給到1700W/m^2；側(cè)壁面相對(duì)散熱多一些，設(shè)置為3800W/m^2；塞棒的熱邊界條件也為1700W/m^2；湍流抑制器同樣不過(guò)多計(jì)算設(shè)置為1700W/m^2；上壁面是散熱最多的一個(gè)面，我們這里將他的熱邊界條件給到15000W/m^2。鋼液的物理性質(zhì)參數(shù)，它的密度設(shè)置為隨溫度變化的多項(xiàng)式，在計(jì)算過(guò)程中大致不變，可以認(rèn)為ρ=7.0kg/cm3；定壓比熱容設(shè)置為750J/(kg·K)；熱導(dǎo)率設(shè)置為42W/(m·K)；粘性系數(shù)設(shè)置為0.0067。

3.6數(shù)學(xué)模擬計(jì)算對(duì)模型進(jìn)行流場(chǎng)模擬計(jì)算，通過(guò)調(diào)節(jié)時(shí)間步長(zhǎng)，控制求解的精度，達(dá)到收斂的結(jié)果。收斂的判定標(biāo)準(zhǔn)為速度計(jì)算殘差小于等于10^-4。計(jì)算機(jī)配置為家用筆記本電腦，使用ANSYS進(jìn)行本地單機(jī)雙CPU并行計(jì)算，迭代計(jì)算步數(shù)接近2000步，計(jì)算達(dá)到收斂的時(shí)間約為12小時(shí)。圖3.3為數(shù)值計(jì)算中的典型收斂曲線。圖3.3典型收斂曲線紅色曲線（最下面一條）為壓強(qiáng)收斂曲線，綠色曲線（最上面一條）為速度收斂曲線。3.7模擬的結(jié)果對(duì)比與討論在本研究中，利用連續(xù)性方程、非可壓縮粘性流體的N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)湍流模型來(lái)模擬鋼在中間層的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程。通過(guò)加載相應(yīng)的邊界條件，利用有限元模擬分析軟件ANSYSCFX對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。經(jīng)過(guò)多次修改網(wǎng)格大小，保證了計(jì)算結(jié)果的收斂性。使用ANSYS_CFX軟件本身提供的后處理程序，得到以下模擬結(jié)果：3.7.1三種速度下速度矢量對(duì)比圖3.4三種速度下同一截面的速度矢量圖圖3.5三種速度下上壁面截面流線圖由圖3.4和圖3.5，經(jīng)過(guò)對(duì)三種不同速度下不同截面的對(duì)比可以得到非常明顯的關(guān)系，入口速度越大，入口的流線速度也越大，進(jìn)入中間包內(nèi)的速度也越大，整體的流線軌跡受速度影響不大。同樣在湍流抑制器的產(chǎn)生漩渦。圖3.6出口管道截面流線出口截面流線經(jīng)過(guò)對(duì)比也是隨著入口速度增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，流線軌跡基本不變，如圖3.6所示。3.7.2三種速度下溫度場(chǎng)對(duì)比圖3.7三種速度下上壁面截面溫度場(chǎng)由圖3.7可以看出，在同一截面里，速度越快，損失的溫度也就越少，在同一截面的溫度也就越高，相同的是以入口為圓心，溫度呈圓形分布，外部溫度低，中間溫度高。圖3.8三種速度下入口截面溫度場(chǎng)圖3.8所示入口管道截面三種速度的溫度場(chǎng)對(duì)比，可以看出原始速度、增大百分之三十和在速度減少百分之三十的溫度場(chǎng)界面圖結(jié)構(gòu)相似，只是個(gè)點(diǎn)溫度由于速度差異的不同，造成它的溫度場(chǎng)個(gè)點(diǎn)溫度不同，但是整體結(jié)構(gòu)相同，都是以入口點(diǎn)圓心，上表面為半徑的圓形分布，在湍流抑制器里溫度都比較平均。圖3.9三種速度下出口截面溫度場(chǎng)通過(guò)圖3.9可以得出在三種速度下出口截面的溫度場(chǎng)對(duì)比，整體溫度成環(huán)形分布，入口速度越大，出口溫度、中間包內(nèi)溫度也越大，速度越大熱量流失越少。3.7.3三種速度下壓力場(chǎng)對(duì)比圖3.10上壁面截面壓力場(chǎng)圖3.11出口截面壓力場(chǎng)圖3.12入口管道截面壓力場(chǎng)整體壓力場(chǎng)由圖3.10，圖3.11，圖3.12所示，基本壓力都為定值，在入口處壓力，隨著管道深入逐步遞減，進(jìn)去中間包內(nèi)壓力基本穩(wěn)定（在這里并沒(méi)有考慮速度差引起的壓力變化）。3.7.4三種速度下速度場(chǎng)對(duì)比圖3.13三種速度下入口截面速度場(chǎng)（主視）圖3.14三種速度下入口截面速度場(chǎng)（側(cè)視）通過(guò)上述圖3.13和圖3