非對稱結(jié)構(gòu)中間包內(nèi)流體流動數(shù)值模擬

非對稱結(jié)構(gòu)中間包內(nèi)流體流動數(shù)值模擬

0中間包的水力學模型中間流包可以均勻地調(diào)節(jié)每個流的鋼液溫度，每個流的操作參數(shù)趨于一致。鋼液溫度對鋼液的分配以及非金屬夾雜的上浮排除有重要影響。為了保證多流中間包(特別是非對稱結(jié)構(gòu)中間包遠端水口)正常開澆,最終得到符合質(zhì)量的連鑄鋼坯,國內(nèi)外學者通過水力學模型和數(shù)值模擬方法對多流中間包進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,但水力學模型很難模擬出非等溫過程的流動狀態(tài),也不能模擬傳熱特征。筆者運用數(shù)值計算的方法,采用廣泛使用的大型商業(yè)軟件結(jié)合自編程序,對某鋼廠五流T型非對稱結(jié)構(gòu)中間包內(nèi)鋼液的流動、傳熱特征進行數(shù)值模擬,以達到優(yōu)化中間包內(nèi)流體流動狀態(tài)、均勻各流鋼液溫度、延長停留時間較短的近水口2、3流平均停留時間,促使非金屬夾雜物上浮排除,提高鑄坯質(zhì)量的目的。1數(shù)學模型1.1鋼液和鋼液的傳熱及傳熱特性①中間包內(nèi)鋼液為單相湍流流動;②中間包內(nèi)鋼液流動穩(wěn)定,且不可壓縮;③忽略渣層對鋼液流動的影響,鋼液面視為自由表面;④鋼液的密度、粘度、比熱容等熱物理性質(zhì)參量為常數(shù);⑤中間包的熱量損失主要由熱輻射和熱傳導引起,傳熱過程是一個三維穩(wěn)態(tài)過程;⑥示蹤劑的傳輸是一個瞬態(tài)過程。1.2控制方程式(1)質(zhì)量連續(xù)方程?ρ?t+?(ρUj)?xj=0(1)?ρ?t+?(ρUj)?xj=0(1)(2)[uj[ρ?Ui?t+ρUj?Uixj=-?p?xi+??xj{μ[?Ui?xj+?Uj?xi]}-?ρu′iu′j?xj+ρgi(2)ρ?Ui?t+ρUj?Uixj=??p?xi+??xj{μ[?Ui?xj+?Uj?xi]}??ρu′iu′j?xj+ρgi(2)(3)雷達熱輸送項目?(ρΤ)?t+?(ρUjΤ)?xj=??xj[λcp??Τ?xj]+μCp(>+ε)-?(ρu′jθ′)?xj(3)?(ρT)?t+?(ρUjT)?xj=??xj[λcp??T?xj]+μCp(>+ε)??(ρu′jθ′)?xj(3)式(3)中:?(ρu′jθ′)?xj為雷諾熱輸送項,>代表耗散函數(shù)。(4)b評分表k方程:ρUj?Κ?xj=??xj[μeffσk×?Κ?xj]+G-ρε(4)ε雙方程:ρUj?ε?xj=??xj[μeffσε×?ε?xj]+(C1Gε-C2ρε2)Κ(5)式(4)、(5)中:G=μt?Uj?xi[?Ui?xj+?Uj?xi];μt=CμρΚ2ε;μeff=μ+μt(5)中間包的出口?(ρcs)?t+?(ρcsUj)?xj-??xj[Ds?(ρcs)?xj]=Ss(6)式(6)中左邊三項分別為示蹤劑質(zhì)量濃度在鋼液中的瞬態(tài)項、對流項及擴散項。右邊為示蹤劑在鋼液中的源項(在鋼液中示蹤劑產(chǎn)生和消失的速率),選擇中間包的出口作為監(jiān)測點。主要符號描述:t為時間,s;xj表示三維各方向上的長度通量,m;Uj表示鋼液湍流流動時三維各方向上的速度通量,m/s;ρ為鋼液密度,7010kg/m3;p為鋼液壓力,N/m2;τ=ρu′iu′j為雷諾應力,kg/(m·s2);μ為鋼液分子粘度,kg/(m·s);μt為鋼液湍流粘度,kg/(m·s);μeff為鋼液有效粘度,kg/(m·s);T為鋼液溫度,K;cp為鋼液比熱容,700J/(kg·K);λ為鋼液熱擴散系數(shù),W/(m·J);K為鋼液湍流動能,kg2/s2;ε為鋼液湍流耗散率,(m2/s3);模型常數(shù)C1=1.43、C2=1.93、Cμ=0.09、σK=1.0、σε=1.3;cs為示蹤劑無量綱濃度;Ds為示蹤劑擴散系數(shù),kg/(m·s)。1.3入口水力學直徑壁面(中間包內(nèi)流體與內(nèi)襯的交界面)使用無滑移邊界條件(即:Ux=Uy=Uz=0),壁面上示蹤劑通量為零;上表面對液相均認為是自由滑移邊界(即τx=τy=τz=0),示蹤劑傳輸行為計算時通量設為零;入口邊界上,給出液相法向速度的大小。k、ε通過混合強度模型來進行計算,關系式如下:kin=1.5(iUin)2?εin=k1.5in0.3D(7)Uin為鋼液入口的平均速度;i為鋼液湍流動能強度,取i=0.037;在此取D為入口的水力學直徑,m;示蹤劑總量為1;出口相對靜壓力為零,各流流量相等傳熱邊界條件:其頂部、底部、側(cè)墻熱損失分別為36.0kW/m2、2.0kW/m2、3.0kW/m2。2中間包結(jié)構(gòu)方案利用上述數(shù)學模型,以工廠原有的中間包結(jié)構(gòu)及兩個優(yōu)化結(jié)構(gòu)為研究對象,對三個方案的流場、傳熱及示蹤劑傳輸狀態(tài)進行模擬計算研究。方案1:中間包結(jié)構(gòu)采用工廠原有方案(無控流裝置)。方案2:在中間包內(nèi)加“U”形導流墻,外端與注流中心線的距離為400mm,在A向?qū)Я鲏ι祥_三孔,B向?qū)Я鲏ι祥_兩孔,并在T型口處加擋渣堰,從右往左依次為1、2、3、4、5流,如圖1所示。方案3:在中間包內(nèi)加“V”形擋墻,在A向?qū)Я鲏ι祥_三孔,B向?qū)Я鲏ι祥_兩孔,T型口處加擋渣堰,距離注流中心線2400mm處加一塊高為200mm的擋壩,如圖2所示。3分析與討論的結(jié)果3.1布拉平布圖3給出了仿真模擬所得到的各方案鋼液流線圖,鋼液流線表示的是穩(wěn)態(tài)條件下,進入的鋼液在中間包內(nèi)的流動趨勢。圖4給出了三個方案入口特征截面上的速度矢量分布,可以看出速度的大小和方向。由圖3(a)和圖4(a)的流場分布來看,經(jīng)由入口進入的流體,速度較高,在注流區(qū)強湍流的情況下,形成循環(huán)流動,速度迅速下降,然后鋼液由T型口進入低湍流區(qū),速度較為緩慢,形成較弱的循環(huán)流動。由圖3(b)、圖4(b)及圖3(c)、圖4(c)可以看出湍流區(qū)主要被限制在T型區(qū),鋼液經(jīng)擋渣堰后流速明顯降低,湍流強度明顯降低;方案2、3中間包內(nèi)的鋼液經(jīng)過導流墻的開孔可以經(jīng)邊路流動,這對于均勻鋼液,提高夾雜物上浮率是有利的。3.2包的下溫度分布圖5給出了三個方案出口中心線X向截面上的溫度分布。從圖5(a)可以看出,2、3流與其他流的溫差較大,尤其是與遠端的5流差別最大,極值為7.3K,在包的左上部溫度很低,說明存在明顯的死區(qū)。方案2、3則有了明顯的改善,5流的溫度得到了提高,有利于其正常開澆。對三個圖的比較可以看出,方案2各流出口鋼液溫度極差最小(0.625K),五個流溫度基本上達到一致,包內(nèi)鋼液溫度分布也更為均勻。3.3平均停留時間統(tǒng)計值鋼液在中間包內(nèi)的平均停留時間是研究中間包內(nèi)流動特征和混合特征的一個重要參數(shù),各流的平均停留時間代表鋼液從中間包五個出口流出的有效體積,延長各流的總平均停留時間有助于夾雜物上浮及減少死區(qū)體積,各流平均停留時間一致有助于均衡各流的溫度,保證各流鑄坯質(zhì)量一致。通過自編程序模擬監(jiān)測中間包出口處的示蹤劑濃度變化,得到出口處示蹤劑無量綱濃度隨時間的變化值,利用得到的數(shù)據(jù)做出示蹤劑濃度隨時間的變化曲線(稱為停留時間分布(RTD)曲線),并計算出各流及總的平均停留時間。表1給出了三個方案的平均停留時間統(tǒng)計值;圖6～8給出了三個方案五個出口的RTD分布曲線。示蹤劑的濃度變化代表鋼液在中間包內(nèi)停留時間的分布規(guī)律,示蹤劑濃度剛開始增加的部分代表壽命極短的分子,濃度最后極其緩慢衰減的那部分代表壽命極長的分子,其他的在中間范圍內(nèi)波動,因此得到的示蹤劑濃度-時間曲線稱為停留時間分布(RTD)曲線。從圖6可以看出,無控流裝置中間包5個流的出口的停留時間曲線差別很大,存在明顯短路流特征峰值。從曲線的趨勢看,2、3流出水口示蹤劑響應更快,峰值較遠端出水口來得快得多,峰值也比遠端水口的峰值大得多。由表1中方案1平均停留時間的統(tǒng)計值也可以看出各流差異很大。從圖7可以看出方案2的5個流的停留時間曲線趨向基本一致,重合性比較好。這說明在導流墻上開孔可使鋼水先到邊流,相對于原有方案提高了2流、3流的平均停留時間,有利于夾雜物上浮。由表1中方案2平均停留時間的統(tǒng)計值可以看出5個流流動基本一致,總的平均停留時間比方案1延長了29.6s。從圖8可以看出方案3前4流出口的停留時間曲線趨向基本一致,重合性比較好。無論是前4個流的響應時間、達到峰值時間,還是4個流的峰值大小都比較接近。第5流與其他4流差異較大,主要是在4、5流之間加了一塊擋板,這是出于提高第5流溫度和夾雜物上浮率的目的。由表1中方案3平均停留時間的統(tǒng)計值可以看出前4個流的平均停留時間基本上一致,總的平均停留時間比方案1延長了31s。綜合流場和溫度場及各流的無量綱濃度-時間曲線考慮,方案2為最佳選擇。4帶控流裝置的