《工程科学学报》：浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响

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工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响华承健王敏张孟胸郑瑞轩包燕平 Effect of submerged entry nozzle wall surface morphologies on boundary layer structure and alumina inclusions transport HUA Cheng-jian,WANG Min,ZHANG Meng-yun,ZHENG Rui-xuan,BAO Yan-ping 引用本文：华承健，王敏，张孟胸，郑瑞轩，包燕平.浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响).工程科学学报，2021,43(7)：925-934.doi:10.13374.issn2095-9389.2020.05.05.001 HUA Cheng-jian,WANG Min,ZHANG Meng-yun,ZHENG Rui-xuan,BAO Yan-ping.Effect of submerged entry nozzle wall surface morphologies on boundary layer structure and alumina inclusions transport[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(7): 925-934.doi:10.13374j.issn2095-9389.2020.05.05.001 在线阅读View online::htps/doi.org/10.13374/.issn2095-9389.2020.05.05.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 浸入式水口对结晶器钢水流动与液面波动的影响 Effect of SEN on fluid flow and surface fluctuation in a continuous casting slab mold 工程科学学报.2018.406)：697htps:loi.org10.13374.issn2095-9389.2018.06.007 夹杂物对超高强度钢应力应变场的影响 Influence of inclusion on stress and strain fields in ultra-high strength steel 工程科学学报.2017,39(7：1027 https:/1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2017.07.007 夹杂物对Q235钢耐腐蚀行为的影响 Effect of inclusions on corrosion resistance of carbon steel 工程科学学报.2020,42(S:27 https::/1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2020.03.25.s05 外加Y,Ti,0,纳米粒子对CLAM钢夹杂物的影响 Effect of Y2TiO nanoparticles on inclusions in CLAM steel 工程科学学报.2020,42S:21htps:/doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2020.04.15.s07 掺杂氧化铝对纳米钨粉烧结过程的影响 Effect of Al,O addition on the sintering behavior of nano tungsten powder 工程科学学报.2020,42(7)：875 https:/oi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.07.13.001 铝含量对TWIP钢中夹杂物特征及AIN析出行为的影响 Influence of Al content on the characteristics of non-metallic inclusions and precipitation behaviors of AIN inclusions in TWIP steel 工程科学学报.2017,397)：1008 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.07.005

浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响华承健王敏张孟昀郑瑞轩包燕平 Effect of submerged entry nozzle wall surface morphologies on boundary layer structure and alumina inclusions transport HUA Cheng-jian, WANG Min, ZHANG Meng-yun, ZHENG Rui-xuan, BAO Yan-ping 引用本文: 华承健, 王敏, 张孟昀, 郑瑞轩, 包燕平. 浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响[J]. 工程科学学报, 2021, 43(7): 925-934. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.05.001 HUA Cheng-jian, WANG Min, ZHANG Meng-yun, ZHENG Rui-xuan, BAO Yan-ping. Effect of submerged entry nozzle wall surface morphologies on boundary layer structure and alumina inclusions transport[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(7): 925-934. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.05.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.05.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 浸入式水口对结晶器钢水流动与液面波动的影响 Effect of SEN on fluid flow and surface fluctuation in a continuous casting slab mold 工程科学学报. 2018, 40(6): 697 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.007 夹杂物对超高强度钢应力应变场的影响 Influence of inclusion on stress and strain fields in ultra-high strength steel 工程科学学报. 2017, 39(7): 1027 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.007 夹杂物对Q235钢耐腐蚀行为的影响 Effect of inclusions on corrosion resistance of carbon steel 工程科学学报. 2020, 42(S): 27 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.25.s05 外加Y2 Ti2 O7纳米粒子对CLAM钢夹杂物的影响 Effect of Y2 Ti2 O7 nanoparticles on inclusions in CLAM steel 工程科学学报. 2020, 42(S): 21 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.15.s07 掺杂氧化铝对纳米钨粉烧结过程的影响 Effect of Al2 O3 addition on the sintering behavior of nano tungsten powder 工程科学学报. 2020, 42(7): 875 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.13.001 铝含量对TWIP钢中夹杂物特征及AlN析出行为的影响 Influence of Al content on the characteristics of non-metallic inclusions and precipitation behaviors of AlN inclusions in TWIP steel 工程科学学报. 2017, 39(7): 1008 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.005

工程科学学报.第43卷，第7期：925-934.2021年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.7:925-934,July 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.05.001;http://cje.ustb.edu.cn 浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响华承健)，王敏四，张孟昀，郑瑞轩2)，包燕平) 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京1000832)北京科技大学冶金与生态工程学院.北京100083 ☒通信作者，E-mail:wangmin(@ustb.edu.cn 摘要铝镇静钢液浇注过程中，浸入式水口耐材内壁特征受到钢液侵蚀和夹杂物聚集影响，从近光滑壁面逐渐向多孔耐火材料壁面和含结瘤物的粗糙结瘤壁面转变，壁面形貌的变化影响边界层流场结构和氧化铝夹杂物的输运.采用物理模拟的方法在浸入式水口模型内壁镶嵌多孔耐火材料结构和含结瘤物耐材壁面结构，结合粒子图像测速技术研究不同特征壁面附近流场边界层.使用MATLAB耦合流场测速结果和氧化铝夹杂物运动数学模型，研究了不同特征壁面的流场边界层中氧化铝夹杂物的运动轨迹.使用象限分析法确定了浸入式水口边界层流场存在上抛和下扫事件.氧化铝夹杂物位于下扫事件区域时，朝向壁面运动，粒径为1m的氧化铝夹杂物在下扫事件中运动轨迹更接近壁面，增加了沉积的可能性：氧化铝夹杂物位于上抛事件区域时，远离璧面运动.多孔耐火材料壁面和结瘤壁面边界层内氧化铝夹杂物运动幅度大于光滑壁面边界层流场内氧化铝夹杂物运动幅度.壁面状态由近光滑壁面转变为多孔耐火材料和结瘤壁面时，流场边界层中下扫事件平面占比由10.17%增加到39.77%，上抛事件平面占比由32.96%减小到9.24%：同时，流场边界层中下扫事件发生的概率由 25.83%增加到2824%，这将加速氧化铝夹杂物在多孔耐火材料和结瘤壁面的沉积进程. 关键词浸入式水口结瘤：粒子图像测速：边界层：上抛事件；下扫事件：夹杂物运动轨迹分类号0357.4 Effect of submerged entry nozzle wall surface morphologies on boundary layer structure and alumina inclusions transport HUA Cheng-jian,WANG Min,ZHANG Meng-yun.ZHENG Rui-xuan.BAO Yan-ping 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:wangmin@ustb.edu.cn ABSTRACT During the Al-killed steel continuous casting process,the molten steel corrosion and the accumulation of alumina inclusion deposits affect the submerged entry nozzle(SEN)wall surface,including the surface morphologies of the smooth wall,porous refractory wall,and clogged wall.The SEN wall surface morphology affects the boundary layer structure and alumina inclusions transport.In this study,a physical modeling method was adopted,and the surface morphologies simulation was realized by filling up the natural porous refractory material and inserting the real clog material in the polymethyl methacrylate SEN model.The velocity in the boundary layer was measured using the particle image velocimetry (PIV)technology,and the alumina inclusions transport path in the boundary layer was calculated by MATLAB software.The MATLAB codes combined the velocity data from the PIV measurement results and the inclusion transport equation.The four-quadrant analysis showed that sweep and ejection events existed in the boundary 收稿日期：2020-05-05 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51774031)：钢铁治金新技术国家重点实验室基金资助项目(41619018)：内蒙古自治区科技成果转化下划资金项目(NM2019BTO01)

浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响华承健1)，王敏1) 苣，张孟昀1)，郑瑞轩2)，包燕平1) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 苣通信作者，E-mail：wangmin@ustb.edu.cn 摘要铝镇静钢液浇注过程中，浸入式水口耐材内壁特征受到钢液侵蚀和夹杂物聚集影响，从近光滑壁面逐渐向多孔耐火材料壁面和含结瘤物的粗糙结瘤壁面转变，壁面形貌的变化影响边界层流场结构和氧化铝夹杂物的输运. 采用物理模拟的方法在浸入式水口模型内壁镶嵌多孔耐火材料结构和含结瘤物耐材壁面结构，结合粒子图像测速技术研究不同特征壁面附近流场边界层. 使用 MATLAB 耦合流场测速结果和氧化铝夹杂物运动数学模型，研究了不同特征壁面的流场边界层中氧化铝夹杂物的运动轨迹. 使用象限分析法确定了浸入式水口边界层流场存在上抛和下扫事件. 氧化铝夹杂物位于下扫事件区域时，朝向壁面运动，粒径为 1 μm 的氧化铝夹杂物在下扫事件中运动轨迹更接近壁面，增加了沉积的可能性；氧化铝夹杂物位于上抛事件区域时，远离壁面运动. 多孔耐火材料壁面和结瘤壁面边界层内氧化铝夹杂物运动幅度大于光滑壁面边界层流场内氧化铝夹杂物运动幅度. 壁面状态由近光滑壁面转变为多孔耐火材料和结瘤壁面时，流场边界层中下扫事件平面占比由 10.17% 增加到 39.77%，上抛事件平面占比由 32.96% 减小到 9.24%；同时，流场边界层中下扫事件发生的概率由 25.83% 增加到 28.24%，这将加速氧化铝夹杂物在多孔耐火材料和结瘤壁面的沉积进程. 关键词浸入式水口结瘤；粒子图像测速；边界层；上抛事件；下扫事件；夹杂物运动轨迹分类号 O357.4 Effect of submerged entry nozzle wall surface morphologies on boundary layer structure and alumina inclusions transport HUA Cheng-jian1) ，WANG Min1) 苣，ZHANG Meng-yun1) ，ZHENG Rui-xuan2) ，BAO Yan-ping1) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: wangmin@ustb.edu.cn ABSTRACT During the Al-killed steel continuous casting process, the molten steel corrosion and the accumulation of alumina inclusion deposits affect the submerged entry nozzle (SEN) wall surface, including the surface morphologies of the smooth wall, porous refractory wall, and clogged wall. The SEN wall surface morphology affects the boundary layer structure and alumina inclusions transport. In this study, a physical modeling method was adopted, and the surface morphologies simulation was realized by filling up the natural porous refractory material and inserting the real clog material in the polymethyl methacrylate SEN model. The velocity in the boundary layer was measured using the particle image velocimetry (PIV) technology, and the alumina inclusions transport path in the boundary layer was calculated by MATLAB software. The MATLAB codes combined the velocity data from the PIV measurement results and the inclusion transport equation. The four-quadrant analysis showed that sweep and ejection events existed in the boundary 收稿日期: 2020−05−05 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51774031）；钢铁冶金新技术国家重点实验室基金资助项目（41619018）；内蒙古自治区科技成果转化下划资金项目（NM2019BT001）工程科学学报，第 43 卷，第 7 期：925−934，2021 年 7 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 7: 925−934, July 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.05.001; http://cje.ustb.edu.cn

926 工程科学学报，第43卷，第7期 layer.The fluctuations of the velocity and the turbulent kinetic energy in the normal direction were increased in the porous refractory and the clogged wall boundary layer when the sweep and ejection events existed.The transport of the alumina inclusions with a diameter of 1-15 um was affected by the ejection and the sweep events.The alumina inclusions moved toward the boundary in the sweep event. During the sweep event,the transport path of alumina inclusions with 1 um diameter was close to the boundary;the alumina inclusions were more easily attached to the boundary.The alumina inclusions escaped from the boundary in the ejection event.In the porous refractory and the clogged walls,the alumina inclusion transport path in the normal direction was increased.When the SEN wall's morphologies changed from smooth wall to porous refractory wall and clogged wall,the sweep event area proportion increased from 10.17%to 39.77%,and the ejection event area proportion decreased from 32.96%to 9.24%.Moreover,the sweep event's probability increased from 25.83%to 28.24%when the morphologies of the SEN wall changed from smooth wall to porous refractory wall and clogged wall,which will increase the alumina inclusion deposition rate in the porous refractory wall and the clogged wall boundary. KEY WORDS submerged entry nozzle (SEN)clogging;particle image velocimetry (PIV);boundary layer;ejection events;sweep events;inclusion transport 浸人式水口内壁随着浇注过程与钢液的反应滑有机玻璃模型模拟近光滑壁面状态，在有机玻侵蚀和氧化铝夹杂物的沉积结瘤，其形貌会发生璃模型内壁镶嵌多孔耐火材料结构和含结瘤物转变-)，壁面形貌会直接影响壁面边界层流场结耐材壁面结构来模拟浸入式水口内壁的三种壁构-，从而影响边界层流体中固体颗粒的输送和面特征.利用粒子图像测速(PIV)技术测量不同传递行为-剧铝脱氧钢浸入式水口结瘤物主要为壁面特征下的流场边界层，再结合数值计算方法脱氧产物一氧化铝夹杂物？0因此，浸入式水研究氧化铝夹杂物在流场边界层中的运动轨迹口内壁边界层流场结构直接影响氧化铝夹杂物在本研究揭示了边界层流场的拟序结构以及氧化边界层内的传输行为，与浸入式水口浇注过程的铝夹杂物在边界层流场中的传输行为，为研究氧结瘤行为直接相关化铝夹杂物在浸入式水口壁面沉积和剥离行为近年来，学者对平板壁面形貌对边界层流场提供基础影响开展了相关研究，结果表明：边界层流场 1实验方法内存在周期性的拟序结构，这种拟序结构的猝发是边界层内湍流动能和摩擦阻力的主要来源，边 1.1流动相似基本原理界层流场中的上抛、下扫事件就是典型的拟序结钢液在浸入式水口内的流动受惯性力、黏性构，不同表面形貌特征的设计是平板流体流动减力和重力作用，假设钢液为不可压缩流体，根据流阻的重要思路.浸入式水口内钢液的流动行为以动相似原理，考虑原型和模型的雷诺数(Re)和弗及夹杂物在钢液中传输及在近壁面的碰撞和聚集劳德数(F)相等21即可以满足相似.使用水作为是一个典型的边界层流场结构特征解析问题.浸模拟介质时，根据公式(1)~公式(5)计算得出模入式水口内宏观流场中同样存在周期性的拟序型与原型比例接近1：1.因此，本研究设计了 1:1的水力学模型.根据公式(3)和公式(4)，当采结构，这种拟序结构与结晶器液面波动有直接关系619围绕浸人式水口内夹杂物的运动行为，目用1：1模型时，模型中的流速与原型中的流速一致，可以根据模型中边界层流速来表征原型中边前的研究多聚焦在宏观流场结构尺度的模拟，对界层流速情况，表1为公式(1)~公式(5)计算所浸入式水口内边界层微观流场结构研究较少，而需相关参数边界层区域流动特征是影响夹杂物在内壁沉积的关键因素20-2 Re=pvl (1) 为探究浸入式水口内壁特征对边界层流场结构的影响，通过解剖和分析现场实际浇注不同阶 fr= (2) gl 段浸入式水口内壁的状态，确定了三种不同的浸入式水口内壁形貌特征（近光滑壁面、多孔耐火 Ppyplp Pmymlm (3) 材料壁面、粗糙结瘤壁面)，其分别代表水口浇注 p m 初始状态、浇注钢液与耐材反应后的状态、氧化 (4) 铝夹杂物大量聚集后形成结瘤层的状态.使用光 glp glm

layer. The fluctuations of the velocity and the turbulent kinetic energy in the normal direction were increased in the porous refractory and the clogged wall boundary layer when the sweep and ejection events existed. The transport of the alumina inclusions with a diameter of 1–15 μm was affected by the ejection and the sweep events. The alumina inclusions moved toward the boundary in the sweep event. During the sweep event, the transport path of alumina inclusions with 1 μm diameter was close to the boundary; the alumina inclusions were more easily attached to the boundary. The alumina inclusions escaped from the boundary in the ejection event. In the porous refractory and the clogged walls, the alumina inclusion transport path in the normal direction was increased. When the SEN wall ’s morphologies changed from smooth wall to porous refractory wall and clogged wall, the sweep event area proportion increased from 10.17% to 39.77%, and the ejection event area proportion decreased from 32.96% to 9.24%. Moreover, the sweep event ’s probability increased from 25.83% to 28.24% when the morphologies of the SEN wall changed from smooth wall to porous refractory wall and clogged wall, which will increase the alumina inclusion deposition rate in the porous refractory wall and the clogged wall boundary. KEY WORDS submerged entry nozzle (SEN) clogging； particle image velocimetry (PIV)； boundary layer； ejection events； sweep events；inclusion transport 浸入式水口内壁随着浇注过程与钢液的反应侵蚀和氧化铝夹杂物的沉积结瘤，其形貌会发生转变[1−3] ，壁面形貌会直接影响壁面边界层流场结构[4−6] ，从而影响边界层流体中固体颗粒的输送和传递行为[7−8] . 铝脱氧钢浸入式水口结瘤物主要为脱氧产物——氧化铝夹杂物[9−10] . 因此，浸入式水口内壁边界层流场结构直接影响氧化铝夹杂物在边界层内的传输行为，与浸入式水口浇注过程的结瘤行为直接相关. 近年来，学者对平板壁面形貌对边界层流场影响开展了相关研究[11−15] ，结果表明：边界层流场内存在周期性的拟序结构，这种拟序结构的猝发是边界层内湍流动能和摩擦阻力的主要来源，边界层流场中的上抛、下扫事件就是典型的拟序结构，不同表面形貌特征的设计是平板流体流动减阻的重要思路. 浸入式水口内钢液的流动行为以及夹杂物在钢液中传输及在近壁面的碰撞和聚集是一个典型的边界层流场结构特征解析问题. 浸入式水口内宏观流场中同样存在周期性的拟序结构，这种拟序结构与结晶器液面波动有直接关系[16−19] . 围绕浸入式水口内夹杂物的运动行为，目前的研究多聚焦在宏观流场结构尺度的模拟，对浸入式水口内边界层微观流场结构研究较少，而边界层区域流动特征是影响夹杂物在内壁沉积的关键因素[20−21] . 为探究浸入式水口内壁特征对边界层流场结构的影响，通过解剖和分析现场实际浇注不同阶段浸入式水口内壁的状态，确定了三种不同的浸入式水口内壁形貌特征（近光滑壁面、多孔耐火材料壁面、粗糙结瘤壁面），其分别代表水口浇注初始状态、浇注钢液与耐材反应后的状态、氧化铝夹杂物大量聚集后形成结瘤层的状态. 使用光滑有机玻璃模型模拟近光滑壁面状态，在有机玻璃模型内壁镶嵌多孔耐火材料结构和含结瘤物耐材壁面结构来模拟浸入式水口内壁的三种壁面特征. 利用粒子图像测速（PIV）技术测量不同壁面特征下的流场边界层，再结合数值计算方法研究氧化铝夹杂物在流场边界层中的运动轨迹. 本研究揭示了边界层流场的拟序结构以及氧化铝夹杂物在边界层流场中的传输行为，为研究氧化铝夹杂物在浸入式水口壁面沉积和剥离行为提供基础. 1 实验方法 1.1 流动相似基本原理钢液在浸入式水口内的流动受惯性力、黏性力和重力作用，假设钢液为不可压缩流体，根据流动相似原理，考虑原型和模型的雷诺数（Re）和弗劳德数（Fr）相等[22] 即可以满足相似. 使用水作为模拟介质时，根据公式（1）～公式（5）计算得出模型与原型比例接近 1∶1. 因此，本研究设计了 1∶1 的水力学模型. 根据公式（3）和公式（4），当采用 1∶1 模型时，模型中的流速与原型中的流速一致，可以根据模型中边界层流速来表征原型中边界层流速情况，表 1 为公式（1）～公式（5）计算所需相关参数. Re = ρvl µ （1） Fr = v 2 gl （2） ρpvp lp µp = ρmvmlm µm （3） v 2 p glp = v 2 m glm （4） · 926 · 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期

华承健等：浸人式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响 927· 表1原型与模型流体物理性质和浸入式水口儿何参数壁面边界的轮廓，采用轮廓算数平均差的方法表 Table 1 Physical properties of the fluids in prototype and physical 征本实验使用的三种壁面形貌的表面粗糙度，近 model and the SEN geometric parameters 光滑模型壁面表面粗糙度为0，多孔耐火材料表 Parameter Value 面粗糙度为0.10335mm,结瘤物表面粗糙度为 Molten steel density,pp/(kg'm) 7020 0.077mm.采用物理模拟的方法在浸入式水口模 Molten steel viscosity,p/(Pa's) 0.0067 型内壁镶嵌多孔耐火材料结构和含结瘤物耐材壁 Water density (25C).P/(kgm) 997.074 面结构，结合PIV技术研究不同特征壁面附近流 Water viscosity (25C),u/(Pa's) 8.937×10 场边界层 Diameter of inner nozzle/mm 40 物理模拟系统使用水作为模拟介质，借助粒 Flow rate/(Lmin) 45 子图像测速设备(Germany:LaVision GmbH)分别测量了三种不同特征壁面附近2维2速度分量边 - p 界层流场，图2为测量区域和实验装置示意图.浸 Pp (5) Mm 入式水口模型外侧套有方形水棱镜以消除圆管模 Pm 型曲率带来的成像误差.实验过程中采用Davis 其中，Re为雷诺数；p为密度，kgm3;v为速度， (8.4.0,Germany:LaVision GmbH软件控制图像采 ms;u为动力黏度，Pas;1为长度尺度，m;Fr为集和测速结果后处理，示踪粒子选择直径为10μm 弗劳德数；g为重力加速度，9.8ms;下标p代表的荧光示踪粒子，图像采集采用双帧双曝光模式，原型，下标m代表模型两束激光时间间隔60μ5，激光器和相机曝光频率 1.2浸入式水口壁面形貌演变和边界层流场测速为70Hz,测量时间持续1s.实验中连续采集140 方法张照片.问询窗口尺寸(128×128像素至96×96像图1为钢液浇注过程中耐火材料壁面形貌变素)75%重叠. 化示意图，浸入式水口壁面在钢液浇注前期带有 13流场分析方法涂层，壁面形貌近似于光滑状态（图l(a)).随着浇法向湍流动能(Rx)表征了流场内法向湍流输注的进行，高温钢液与涂层及浸入式水口本体石运的强弱，如公式(6)所示；法向(v)脉动速度和流墨结构发生反应，涂层以及石墨结构逐渐熔解，向()脉动速度分别表征流向和法向的速度随时光滑表面逐渐转变为多孔的耐火材料本体结构间变化的强弱，如公式(7)和公式(8)所示.相关研 (图1(b),伴随着钢中氧化铝夹杂物在壁面的沉究表明，湍流边界层内的切变湍流中存在着可辨积，多孔耐火材料壁面转变为含结瘤物的粗糙结认的有序的运动，称之为湍流拟序结构.高速流体瘤状态（图1(c).整个浇注过程，浸入式水口壁面向壁面的运动和壁面低速流体远离壁面的运动是特征转变过程可以描述为：近光滑壁面一多孔耐湍流边界层中的两种典型拟序结构).高速流体火材料壁面一粗糙结瘤壁面.提取PIV测量区域向壁面运动为下扫事件，低速流体远离壁面的运 (a) (b) (c) Alumina Graphite Al.O,refractory Al.O;refractory inclusions Al,O;refractory material material material 图1钢液浇注过程没人式水口壁面特征变化示意图.(a)近光滑壁面：(b)多孔耐火材料壁面：(c)结瘤壁面 Fig.1 Schematic of SEN wall surface changing morphologies during casting:(a)smooth wall:(b)porous refractory wall;(c)clogged wal

( lp lm ) 3 2 = µp ρp µm ρm （5）其中， Re 为雷诺数； ρ 为密度， kg·m−3 ； v 为速度， m·s−1 ；μ 为动力黏度，Pa·s；l 为长度尺度，m；Fr 为弗劳德数；g 为重力加速度，9.8 m·s−2；下标 p 代表原型，下标 m 代表模型. 1.2 浸入式水口壁面形貌演变和边界层流场测速方法图 1 为钢液浇注过程中耐火材料壁面形貌变化示意图，浸入式水口壁面在钢液浇注前期带有涂层，壁面形貌近似于光滑状态（图 1（a））. 随着浇注的进行，高温钢液与涂层及浸入式水口本体石墨结构发生反应，涂层以及石墨结构逐渐熔解，光滑表面逐渐转变为多孔的耐火材料本体结构（图 1（b）），伴随着钢中氧化铝夹杂物在壁面的沉积，多孔耐火材料壁面转变为含结瘤物的粗糙结瘤状态（图 1（c））. 整个浇注过程，浸入式水口壁面特征转变过程可以描述为：近光滑壁面—多孔耐火材料壁面—粗糙结瘤壁面. 提取 PIV 测量区域壁面边界的轮廓，采用轮廓算数平均差的方法表征本实验使用的三种壁面形貌的表面粗糙度，近光滑模型壁面表面粗糙度为 0，多孔耐火材料表面粗糙度为 0.10335 mm，结瘤物表面粗糙度为 0.077 mm. 采用物理模拟的方法在浸入式水口模型内壁镶嵌多孔耐火材料结构和含结瘤物耐材壁面结构，结合 PIV 技术研究不同特征壁面附近流场边界层. 物理模拟系统使用水作为模拟介质，借助粒子图像测速设备（Germany: LaVision GmbH）分别测量了三种不同特征壁面附近 2 维 2 速度分量边界层流场，图 2 为测量区域和实验装置示意图. 浸入式水口模型外侧套有方形水棱镜以消除圆管模型曲率带来的成像误差. 实验过程中采用 Davis (8.4.0, Germany: LaVision GmbH) 软件控制图像采集和测速结果后处理，示踪粒子选择直径为 10 μm 的荧光示踪粒子，图像采集采用双帧双曝光模式，两束激光时间间隔 60 μs，激光器和相机曝光频率为 70 Hz，测量时间持续 1 s. 实验中连续采集 140 张照片. 问询窗口尺寸（128×128 像素至 96×96 像素）75% 重叠. 1.3 流场分析方法法向湍流动能（Rxx）表征了流场内法向湍流输运的强弱，如公式（6）所示；法向（v'）脉动速度和流向（u'）脉动速度分别表征流向和法向的速度随时间变化的强弱，如公式（7）和公式（8）所示. 相关研究表明，湍流边界层内的切变湍流中存在着可辨认的有序的运动，称之为湍流拟序结构. 高速流体向壁面的运动和壁面低速流体远离壁面的运动是湍流边界层中的两种典型拟序结构[13] . 高速流体向壁面运动为下扫事件，低速流体远离壁面的运表 1 原型与模型流体物理性质和浸入式水口几何参数 Table 1 Physical properties of the fluids in prototype and physical model and the SEN geometric parameters Parameter Value Molten steel density, ρP /(kg·m−3) 7020 Molten steel viscosity, μP /(Pa·s) 0.0067 Water density (25°C), ρm/(kg·m−3) 997.074 Water viscosity (25°C), μm/(Pa·s) 8.937×10−4 Diameter of inner nozzle/mm 40 Flow rate/(L·min−1) 45 Flow direction Flow direction Porous refrsctory wall Flow direction Clog wall Smooth wall Coating material (a) (b) (c) Graphite Al2O3 refractory material Al2O3 refractory material Al2O3 refractory material Alumina inclusions 图 1 钢液浇注过程浸入式水口壁面特征变化示意图. （a）近光滑壁面；（b）多孔耐火材料壁面；（c）结瘤壁面 Fig.1 Schematic of SEN wall surface changing morphologies during casting: (a) smooth wall；(b) porous refractory wall；(c) clogged wall 华承健等：浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响 · 927 ·

928 工程科学学报，第43卷，第7期 Flow dircetion 1.4氧化铝夹杂物运动轨迹的数学模型 comar 本文中氧化铝夹杂物运动轨迹数学模型考虑 Sheet of light Water prism 了氧化铝夹杂物在浸入式水口内运动受重力、浮 Long working distance 力、曳力和虚拟质量力共同作用网其运动方程如 microscope Sheet light 公式(9)所示，模型内流体速度与原型流体速度一 optics Imaging area 致，夹杂物运动方程中的流体速度项采用PIV测 -Submerged entry Charge coputed 速结果.本研究以F钢浇注过程为例，中间包内 nozzle model device camera 氧化铝夹杂物尺寸在2~16um之间，形状主要为 flow Water tank 近球形，块状和椭球形.因此，本研究的四种粒径的氧化铝夹杂物，粒径分别为1、5、10、15m,而且氧化铝夹杂物为球形.氧化铝夹杂物密度为 3970kgm3.数学模型的计算和求解采用MATLAB 图2边界层流场测速实验装置示意图实现，相关模型计算如公式(9)~公式(15)所示 Fig.2 Schematic of the boundary layer velocity measurements 计算过程中，假设夹杂物初始时刻速度与流体速度一致，计算步长采用106s,计算700步动叫上抛事件，如图3所示.本文采用象限分析法2]， dui 辨识湍流边界层流场内的上抛和下扫事件.'>0， mi'g-pgVi+FD(u-ui)+Fa (9) l0代表上抛事 18u CpRei FD=- Pid 24 (10) 件.通过对比不同壁面特征条件下流场内的上抛事件和下扫事件，评价钢液中夹杂物向壁面的输 CD=2 1+0.186Re0.6s3) (11) 运能力和沉积在壁面的夹杂物剥离可能性.本研 Rei 究中边界层流场结构包括上抛事件、下扫事件、速度分布、湍流动能和湍流脉动速度 Rer =pdilu-ul (12) Rxx -可2 (6) =c倍-) (13) v=v- (7) 0.132 CA=2.1- (14) 0.12+A2 u'=u-u (8) Ac=-lu-uil 4-国 (15) 其中，m为夹杂物质量，kg;4为夹杂物速度，ms; u为流体速度，ms；1为时间，s;p为钢液密度， kgm3;p:为夹杂物密度，kgm3;Re为夹杂物雷诺 Vortiex 数；为夹杂物体积，m3;Fo为曳力，N;Fa为虚拟质量力，N;u为钢液动力黏度，Pas:d为夹杂物粒径，m;下标i代表夹杂物；CD,CA,A为系数 Sweep event 2结果分析与讨论图3边界层流场内上抛、下扫事件示意图 2.1浸入式水口壁面状态变化对边界层流场影响 Fig.3 Schematic of the ejection and sweep events in boundary layer 图4(a)~图4(c)分别为近光滑壁面、多孔耐其中，Rx为法向湍流动能，m2s2;V为法向脉动速火材料壁面、结瘤壁面附近边界层流场速度云图. 度，ms;v为瞬时法向速度，ms;为法向平均实验过程来流速度为0.59ms,达到99%来流速速度，ms；d为流向脉动速度，ms;u为瞬时流度的位置确定为流场边界层的边界.三种壁面状向速度，ms;i为流向平均速度，ms,N为实验态下距离壁面不同距离的速度分布结果表明过程图像采集次数 (图4(d)):近光滑壁面边界层厚度为3.93mm,多

动叫上抛事件，如图 3 所示. 本文采用象限分析法[23] ，辨识湍流边界层流场内的上抛和下扫事件. v' > 0, u' 0 代表上抛事件. 通过对比不同壁面特征条件下流场内的上抛事件和下扫事件，评价钢液中夹杂物向壁面的输运能力和沉积在壁面的夹杂物剥离可能性. 本研究中边界层流场结构包括上抛事件、下扫事件、速度分布、湍流动能和湍流脉动速度. Rxx = 1 N −1 ∑ N k=1 (vk −v) 2 （6） v ′ = v−v （7） u ′ = u−u （8） Sweep event Vortiex Wall Ejection event 图 3 边界层流场内上抛、下扫事件示意图 Fig.3 Schematic of the ejection and sweep events in boundary layer v u 其中，Rxx 为法向湍流动能，m 2 ·s−2 ；v'为法向脉动速度，m·s−1 ；v 为瞬时法向速度，m·s−1 ；为法向平均速度，m·s−1 ；u'为流向脉动速度，m·s−1 ；u 为瞬时流向速度，m·s−1 ；为流向平均速度，m·s−1 ，N 为实验过程图像采集次数. 1.4 氧化铝夹杂物运动轨迹的数学模型本文中氧化铝夹杂物运动轨迹数学模型考虑了氧化铝夹杂物在浸入式水口内运动受重力、浮力、曳力和虚拟质量力共同作用[24] ，其运动方程如公式（9）所示，模型内流体速度与原型流体速度一致，夹杂物运动方程中的流体速度项采用 PIV 测速结果. 本研究以 IF 钢浇注过程为例，中间包内氧化铝夹杂物尺寸在 2～16 μm 之间，形状主要为近球形，块状和椭球形. 因此，本研究的四种粒径的氧化铝夹杂物，粒径分别为 1、5、10、15 μm，而且氧化铝夹杂物为球形. 氧化铝夹杂物密度为 3970 kg·m−3 . 数学模型的计算和求解采用 MATLAB 实现，相关模型计算如公式（9）～公式（15）所示. 计算过程中，假设夹杂物初始时刻速度与流体速度一致，计算步长采用 10−6 s，计算 700 步. mi dui dt = mi · g−ρgVi + FD·(u−ui)+Fa （9） FD= 18µ ρid 2 i CDRei 24 （10） CD = 24 Rei (1+0.186Re0.653 i ) （11） Rei = ρdi |u−ui | µ （12） Fa = CA ρπd 3 i 12 ( du dt − dui dt ) （13） CA = 2.1− 0.132 0.12+ A 2 c （14） Ac= |u−ui | d i d|u−ui | dt （15）其中，mi 为夹杂物质量，kg；ui 为夹杂物速度，m·s−1 ； u 为流体速度，m·s−1 ； t 为时间， s； ρ 为钢液密度， kg·m−3 ；ρi 为夹杂物密度，kg·m−3 ；Rei 为夹杂物雷诺数；Vi 为夹杂物体积，m 3 ；FD 为曳力，N；Fa 为虚拟质量力，N；μ 为钢液动力黏度，Pa·s；di 为夹杂物粒径，m；下标 i 代表夹杂物；CD，CA，Ac 为系数. 2 结果分析与讨论 2.1 浸入式水口壁面状态变化对边界层流场影响图 4（a）～图 4（c）分别为近光滑壁面、多孔耐火材料壁面、结瘤壁面附近边界层流场速度云图. 实验过程来流速度为 0.59 m·s−1，达到 99% 来流速度的位置确定为流场边界层的边界. 三种壁面状态下距离壁面不同距离的速度分布结果表明（图 4（d））：近光滑壁面边界层厚度为 3.93 mm，多 Flow dircetion Refractory or clog material Water prism Water tank Charge coputed Connect to pump and device camera flow meter Submerged entry nozzle model Imaging area Long working distance microscope Sheet of light Sheet light optics 图 2 边界层流场测速实验装置示意图 Fig.2 Schematic of the boundary layer velocity measurements · 928 · 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期

华承健等：浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响 929· (a) Boundary layer (b) Boundary layer Velocity Velocity 0 magnitude/ magnitude/ -0.5 (ms-) (ms 0.5 -1.0 -10 0.50 -1.5 0.45 -2 0.40 8 0.35 -2.0 .35 25 -2.5 -3. 0.i5 -3.0 -3.5 89 -3.5 -4.0 -4.0 0 X/mm Boundary layer (d) Velocity 0 magnitude/ 0.7 (ms) 0.60 0.6 0.55 0.50 045 0.5 0 04 2.0 25 0.3 020 0.2 0.15 -Smooth wall 0.10 0.1 -35 -Porous refractory wall 0.05 0 Clog wall 40 0.51.01.52.02.53.03.54.0 3 Distance to boundary/mm X/mm 图4边界层流场速度特征.(a)近光滑壁面：(b)多孔耐火材料壁面：(c)粗糙结瘤物壁面：(d)速度分布 Fig.4 Boundary layer velocity:(a)smooth wall:(b)porous refractory wall;(c)clogged wall;(d)velocity distribution 孔耐火材料壁面流场边界层厚度为3.59mm,结瘤生下扫事件.从图中可以看出，三种壁面形貌下的壁面流场边界层厚度为1.77mm.多孔耐火材料壁散点分布呈现椭圆状，流向脉动速度明显大于法面和结瘤壁面边界层厚度比光滑壁面小，多孔耐向脉动速度，这说明流场脉动速度存在各向异性火材料壁面和结瘤壁面剪切力较光滑壁面更大随着壁面状态的变化，流向脉动速度无较大变化，图5(a)~图5(c)为三种壁面条件下的法向湍而法向脉动速度呈现增加趋势，椭圆形状逐渐变流动能分布，近光滑壁面条件下的法向湍流动能得饱满.壁面状态由近光滑壁面转变为多孔耐火主要分布在距离壁面2mm外，多孔耐火材料壁面材料壁面和结瘤壁面时，壁面附近流场法向脉动和结瘤壁面的法向湍流动能主要分布在距离壁面速度增强，钢液从浸入式水口中心区域向壁面输 1.5mm内.因此，浇注过程中，近光滑壁面发展到送能力增强，钢液中夹杂物向壁面运动的能力增多孔耐火材料壁面和结瘤壁面时，边界层流场内加，这在一定程度上会加速结瘤的进程.图6(d)为的法向湍流动能逐渐增强.流体掠过多孔耐火材三种壁面形貌下，下扫事件和上抛事件发生的概料壁面和粗糙结瘤壁面时，受粗糙壁面结构的影率，壁面形貌发生光滑壁面一多孔耐火材料壁面一响，壁面附近的法向湍流动能增强，这两种壁面附结瘤壁面转变时，下扫事件发生概率由25.83% 近的流场边界层更混乱.相关研究表明，壁面附近增加到28.24%. 湍流动能增加，促进氧化铝夹杂物沉积在壁面20，图7为近光滑壁面、多孔耐火材料壁面和结图6(a)~图6(c)分别为1s内，距离壁面0.5mm 瘤壁面附近流场下扫、上抛事件的平面分布图处的边界层流场中，近光滑壁面、多孔耐火材料壁其中，红色区域代表发生了高速流体向壁面运动面和结瘤壁面的法向和流向脉动速度象限分布的下扫事件，蓝色区域代表发生了低速流体远离根据象限分析法，若散点落在第二象限内，则代表壁面运动的上抛事件.从图中可以看出，当壁面特发生了上抛事件：若散点落在第四象限则代表发征由近光滑壁面转变为多孔耐火材料壁面和结瘤

孔耐火材料壁面流场边界层厚度为 3.59 mm，结瘤壁面流场边界层厚度为 1.77 mm. 多孔耐火材料壁面和结瘤壁面边界层厚度比光滑壁面小，多孔耐火材料壁面和结瘤壁面剪切力较光滑壁面更大. 图 5（a）～图 5（c）为三种壁面条件下的法向湍流动能分布，近光滑壁面条件下的法向湍流动能主要分布在距离壁面 2 mm 外，多孔耐火材料壁面和结瘤壁面的法向湍流动能主要分布在距离壁面 1.5 mm 内. 因此，浇注过程中，近光滑壁面发展到多孔耐火材料壁面和结瘤壁面时，边界层流场内的法向湍流动能逐渐增强. 流体掠过多孔耐火材料壁面和粗糙结瘤壁面时，受粗糙壁面结构的影响，壁面附近的法向湍流动能增强，这两种壁面附近的流场边界层更混乱. 相关研究表明，壁面附近湍流动能增加，促进氧化铝夹杂物沉积在壁面[20] . 图 6（a）～图 6（c）分别为 1 s 内，距离壁面 0.5 mm 处的边界层流场中，近光滑壁面、多孔耐火材料壁面和结瘤壁面的法向和流向脉动速度象限分布. 根据象限分析法，若散点落在第二象限内，则代表发生了上抛事件；若散点落在第四象限则代表发生下扫事件. 从图中可以看出，三种壁面形貌下的散点分布呈现椭圆状，流向脉动速度明显大于法向脉动速度，这说明流场脉动速度存在各向异性. 随着壁面状态的变化，流向脉动速度无较大变化，而法向脉动速度呈现增加趋势，椭圆形状逐渐变得饱满. 壁面状态由近光滑壁面转变为多孔耐火材料壁面和结瘤壁面时，壁面附近流场法向脉动速度增强，钢液从浸入式水口中心区域向壁面输送能力增强，钢液中夹杂物向壁面运动的能力增加，这在一定程度上会加速结瘤的进程. 图 6（d）为三种壁面形貌下，下扫事件和上抛事件发生的概率，壁面形貌发生光滑壁面—多孔耐火材料壁面— 结瘤壁面转变时，下扫事件发生概率由 25.83% 增加到 28.24%. 图 7 为近光滑壁面、多孔耐火材料壁面和结瘤壁面附近流场下扫、上抛事件的平面分布图. 其中，红色区域代表发生了高速流体向壁面运动的下扫事件，蓝色区域代表发生了低速流体远离壁面运动的上抛事件. 从图中可以看出，当壁面特征由近光滑壁面转变为多孔耐火材料壁面和结瘤 (a) (c) (d) (b) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Velocity magnitude/(m·s −1 ) Distance to boundary/mm Smooth wall Porous refractory wall Clog wall Boundary layer Boundary layer Velocity magnitude/ (m·s−1 ) −1 0 2 3 1 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 Velocity magnitude/ (m·s−1 ) 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 X/mm Y/mm 0 −0.5 −1.0 −1.5 −2.0 −2.5 −3.0 −3.5 −4.0 Velocity magnitude/ (m·s−1 ) −1 0 2 3 1 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 X/mm Y/mm 0 −0.5 −1.0 −1.5 −2.0 −2.5 −3.0 −3.5 −4.0 −1 0 2 3 1 X/mm Y/mm 0 −0.5 −1.0 −1.5 −2.0 −2.5 −3.0 −3.5 −4.0 Boundary layer 图 4 边界层流场速度特征. （a）近光滑壁面；（b）多孔耐火材料壁面；（c）粗糙结瘤物壁面；（d）速度分布 Fig.4 Boundary layer velocity: (a) smooth wall；(b) porous refractory wall；(c) clogged wall; (d) velocity distribution 华承健等：浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响 · 929 ·

930 工程科学学报，第43卷，第7期 (a) Boundary layer (b) Boundary layer 0 0.5 R/(m2s) -0.5 R/(m2.s2) 2.0×103 -1.0 20x10-3 1.8×10 1.8×10 1.6×10 -1.5 1.6×103 1.4×103 14×103 1.2×103 -2.0 1.2×10-3 6x10- 8.0x10 -2.5 6.0×104 6.0×104 40×10- -3.0 40×10-4 2.0x10- -3.5 80x10 40 X/mm X/mm Boundary layer (c) (d) 3.0x10-3 -0.5 R /(m2-s2) 2.5×10 2.0×10-3 -1.0 18x10 16x103 -1.5 2.0x10 1.4×10-3 2.0 1.2x103 15x10 1.0×103 2.5 8.0×10- 1.0×10-3 6.0×10- -3.0 4.0×10r 5.0×10-4 Smooth wall 0x10 Porous refractory wall -3.5 0 Clog wall -4.0 0.5 00.51.01.52.02.53.03.54.04.5 Distance to boundary/mm X/mm 图5法向湍流动能云图.()近光滑壁面：(b)多孔耐火材料壁面：(c)结瘤壁面：(d)三种壁面条件下平均法向湍流动能大小 Fig.5 R contour:(a)smooth wall;(b)porous refractory wall;(c)clogged wall;(d)average R distribution 壁面时，下扫事件平面占比由10.17%增加到39.77%，中，与粒径为5、10和15m氧化铝夹杂物相比上抛事件平面占比由32.96%减少到9.24%.光滑粒径为1m的氧化铝夹杂物运动轨迹更接近壁壁面状态下，边界层流场中上抛事件平面占比明面，增加了其沉积在壁面的可能性显大于下扫事件，当壁面状态转变为多孔耐火材图9为粒径为1m的氧化铝夹杂物在三种不料壁面和结瘤壁面时，下扫事件平面占比明显大同壁面条件下，位于上抛事件和下扫事件内的运于上抛事件动轨迹，夹杂物初始运动坐标距离壁面0.5mm,图 2.2边界层流场中上抛和下扫事件对夹杂物运动中纵坐标为距离壁面的距离，横坐标为Y方向运的影响动距离.上抛事件中，三种壁面形貌下的氧化铝夹图8为粒径分别为1、5、10和15um的氧化杂物均远离壁面方向运动，多孔耐火材料壁面和铝夹杂物在多孔耐火材料壁面边界层流场内上抛结瘤壁面的运动轨迹距离壁面更远.下扫事件中，事件和下扫事件中的运动轨迹，夹杂物初始运动三种壁面条件的氧化铝夹杂物均朝向壁面方向运位置距离壁面0.5mm,图中纵坐标为与壁面的距动，多孔耐火材料壁面和结瘤壁面条件下的运动离，横坐标为Y方向运动距离.图8(a)中，流场发轨迹更接近壁面.以上计算结果表明，边界层内的生下扫事件时，高速流体朝向壁面运动，位于下扫上抛和下扫事件直接影响边界层内氧化铝夹杂的事件的夹杂物也被随之带向壁面运动.图8(b)中，输运，当氧化铝夹杂物位于流场中发生上抛事件流场发生上抛事件时，低速流体被带离壁面的同区域时，氧化铝夹杂物被带离壁面.当氧化铝夹杂时，位于上抛事件的夹杂物也被随之带离壁面，不物位于流场中的下扫事件区域时，氧化铝夹杂物同尺寸夹杂物在边界层流场中同一事件的运动轨被带向壁面.因此，边界层流场中的下扫事件直接迹相近，尺寸对运动轨迹的影响较小，在下扫事件导致氧化铝夹杂物朝向壁面运动

壁面时，下扫事件平面占比由 10.17% 增加到 39.77%，上抛事件平面占比由 32.96% 减少到 9.24%. 光滑壁面状态下，边界层流场中上抛事件平面占比明显大于下扫事件. 当壁面状态转变为多孔耐火材料壁面和结瘤壁面时，下扫事件平面占比明显大于上抛事件. 2.2 边界层流场中上抛和下扫事件对夹杂物运动的影响图 8 为粒径分别为 1、5、10 和 15 μm 的氧化铝夹杂物在多孔耐火材料壁面边界层流场内上抛事件和下扫事件中的运动轨迹，夹杂物初始运动位置距离壁面 0.5 mm，图中纵坐标为与壁面的距离，横坐标为 Y 方向运动距离. 图 8（a）中，流场发生下扫事件时，高速流体朝向壁面运动，位于下扫事件的夹杂物也被随之带向壁面运动. 图 8（b）中，流场发生上抛事件时，低速流体被带离壁面的同时，位于上抛事件的夹杂物也被随之带离壁面，不同尺寸夹杂物在边界层流场中同一事件的运动轨迹相近，尺寸对运动轨迹的影响较小. 在下扫事件中，与粒径为 5、10 和 15 μm 氧化铝夹杂物相比，粒径为 1 μm 的氧化铝夹杂物运动轨迹更接近壁面，增加了其沉积在壁面的可能性. 图 9 为粒径为 1 μm 的氧化铝夹杂物在三种不同壁面条件下，位于上抛事件和下扫事件内的运动轨迹，夹杂物初始运动坐标距离壁面 0.5 mm，图中纵坐标为距离壁面的距离，横坐标为 Y 方向运动距离. 上抛事件中，三种壁面形貌下的氧化铝夹杂物均远离壁面方向运动，多孔耐火材料壁面和结瘤壁面的运动轨迹距离壁面更远. 下扫事件中，三种壁面条件的氧化铝夹杂物均朝向壁面方向运动，多孔耐火材料壁面和结瘤壁面条件下的运动轨迹更接近壁面. 以上计算结果表明，边界层内的上抛和下扫事件直接影响边界层内氧化铝夹杂的输运，当氧化铝夹杂物位于流场中发生上抛事件区域时，氧化铝夹杂物被带离壁面. 当氧化铝夹杂物位于流场中的下扫事件区域时，氧化铝夹杂物被带向壁面. 因此，边界层流场中的下扫事件直接导致氧化铝夹杂物朝向壁面运动. (a) (b) (c) (d) −0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 0 Distance to boundary/mm Smooth wall Porous refractory wall Clog wall Boundary layer Boundary layer 0 −0.5 −1.0 −1.5 −2.0 −2.5 −3.0 −3.5 −4.0 Y/mm 2.0×10−3 1.8×10−3 1.6×10−3 1.4×10−3 1.2×10−3 1.0×10−3 8.0×10−4 6.0×10−4 4.0×10−4 2.0×10−4 0 3.0×10−3 2.5×10−3 2.0×10−3 1.5×10−3 1.0×10−3 5.0×10−4 Rxx/(m2·s−2 ) Rxx/(m2 ·s−2) −1 0 1 2 3 X/mm 0 −0.5 −1.0 −1.5 −2.0 −2.5 −3.0 −3.5 −4.0 Y/mm 2.0×10−3 1.8×10−3 1.6×10−3 1.4×10−3 1.2×10−3 1.0×10−3 8.0×10−4 6.0×10−4 4.0×10−4 2.0×10−4 0 Rxx/(m2 ·s−2) −1 0 1 2 3 X/mm 0 −0.5 −1.0 −1.5 −2.0 −2.5 −3.0 −3.5 −4.0 Y/mm 2.0×10−3 1.8×10−3 1.6×10−3 1.4×10−3 1.2×10−3 1.0×10−3 8.0×10−4 6.0×10−4 4.0×10−4 2.0×10−4 0 Rxx/(m2 ·s−2) −1 0 1 2 3 X/mm Boundary layer 图 5 法向湍流动能云图. （a）近光滑壁面；（b）多孔耐火材料壁面；（c）结瘤壁面；（d）三种壁面条件下平均法向湍流动能大小 Fig.5 Rxx contour: (a) smooth wall; (b) porous refractory wall; (c) clogged wall; (d) average Rxx distribution · 930 · 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期

华承健等：浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响 931· (a) 0.4 (b) 0.4 0.3 0.2 0.1. 0. 02 0.2 0.2 -0.4 -0.4 0 05 u'/(m's) u'/(m's (c) 0.4 (d) Sweep events Ej 30 03 27.4 25.83 25.34 23.88 21.47 0.1 20 02 -01 02 -03 -0.4 u/m's) Smooth wall Porous Clog wall refractory wall SEN surface morphologies 图6不同壁面状态下，在距离壁面0.5mm处.1s时间内的边界层流场法向和流向脉动速度象限统计.()光滑壁面：(b)多孔材料壁面：(c)结瘤壁面：(d)下扫事件与上抛事件概率统计 Fig.6 a and distribution at a distance of 0.5 mm to the boundary during one second in the different wall morphologies:(a)the smooth wall;(b)the porous wall;(c)the refractory wall;(d)the probability statistic of the sweep and ejection events 2.3氧化铝夹杂物在边界层流场内运动机理面状态发生近光滑壁面一多孔耐火材料壁面一结如图10所示，三种壁面条件下的边界层内氧瘤壁面转变时，下扫事件发生的概率由25.83%增化铝夹杂物运动有两种形式.一种是边界层流场加至28.24%.从图10(a)中可以看出，在近光滑壁发生上抛事件时，位于上抛事件流场内的氧化铝面状态下，上抛事件面积比例更大，位于上抛事件夹杂物将远离壁面运动.第二种是边界层流场发中的氧化铝夹杂物远离壁面运动.图10(b)表明，生下扫事件时，位于下扫事件流场内的氧化铝夹壁面状态为多孔耐火材料壁面和结瘤壁面时的下杂物将朝向壁面方向运动.相关研究表明，流过沉扫事件面积比例大于上抛事件面积比例，相同运积在壁面上的氧化铝夹杂物中心的流速小于0.5ms1 动时间内，下扫事件中夹杂物在法向运动距离更时，沉积在壁面上的氧化铝夹杂物不会剥落本大，下扫事件的发生频率比光滑壁面大.因此，多研究中三种壁面状态下其壁面附近的流速均小于孔耐火材料壁面和结瘤壁面将增加氧化铝夹杂物 0.5ms.因此，位于下扫事件内的氧化铝夹杂物朝向壁面运动的几率，加速结瘤物形成. 朝向壁面运动时，在接触到壁面后会沉积在壁面 3结论上，多孔耐火材料壁面和结瘤壁面壁面附近法向湍流输运更强，上抛和下扫事件中的法向脉动速 (1)根据不同实际浇注时间下的水口解剖结度更大.因此，相同运动步长下，多孔耐火材料壁果，浸入式水口内壁面形貌变化为：近光滑壁面一面和结瘤物壁面附近氧化铝夹杂物在法向运动幅多孔耐火材料壁面一结瘤壁面.通过建立1：1水度更大，位于流场下扫事件中的氧化铝夹杂物更力学模型，并在水力学模型内镶嵌多孔耐火材料容易沉积在壁面.同时，图7结果表明，与近光滑和结瘤物方式来模拟浇注过程浸人式水口内壁形壁面相比，多孔耐火材料壁面和结瘤壁面下扫事貌变化，利用PIV技术表征了三种内壁形貌下的件的平面分布比例由10.17%增加到29.62%和边界层流场结构 39.77%,多孔耐火材料壁面和结瘤壁面上抛事件 (2)壁面状态的变化导致流场边界层厚度由的平面占比由32.96%减小至5.09%和9.24%.壁 3.93mm减小到1.77mm,壁面附近剪切力增强，距

2.3 氧化铝夹杂物在边界层流场内运动机理如图 10 所示，三种壁面条件下的边界层内氧化铝夹杂物运动有两种形式. 一种是边界层流场发生上抛事件时，位于上抛事件流场内的氧化铝夹杂物将远离壁面运动. 第二种是边界层流场发生下扫事件时，位于下扫事件流场内的氧化铝夹杂物将朝向壁面方向运动. 相关研究表明，流过沉积在壁面上的氧化铝夹杂物中心的流速小于 0.5 m·s−1 时，沉积在壁面上的氧化铝夹杂物不会剥落[25] . 本研究中三种壁面状态下其壁面附近的流速均小于 0.5 m·s−1 . 因此，位于下扫事件内的氧化铝夹杂物朝向壁面运动时，在接触到壁面后会沉积在壁面上. 多孔耐火材料壁面和结瘤壁面壁面附近法向湍流输运更强，上抛和下扫事件中的法向脉动速度更大. 因此，相同运动步长下，多孔耐火材料壁面和结瘤物壁面附近氧化铝夹杂物在法向运动幅度更大，位于流场下扫事件中的氧化铝夹杂物更容易沉积在壁面. 同时，图 7 结果表明，与近光滑壁面相比，多孔耐火材料壁面和结瘤壁面下扫事件的平面分布比例由 10.17% 增加到 29.62% 和 39.77%，多孔耐火材料壁面和结瘤壁面上抛事件的平面占比由 32.96% 减小至 5.09% 和 9.24%. 壁面状态发生近光滑壁面—多孔耐火材料壁面—结瘤壁面转变时，下扫事件发生的概率由 25.83% 增加至 28.24%. 从图 10（a）中可以看出，在近光滑壁面状态下，上抛事件面积比例更大，位于上抛事件中的氧化铝夹杂物远离壁面运动. 图 10（b）表明，壁面状态为多孔耐火材料壁面和结瘤壁面时的下扫事件面积比例大于上抛事件面积比例，相同运动时间内，下扫事件中夹杂物在法向运动距离更大，下扫事件的发生频率比光滑壁面大. 因此，多孔耐火材料壁面和结瘤壁面将增加氧化铝夹杂物朝向壁面运动的几率，加速结瘤物形成. 3 结论（1）根据不同实际浇注时间下的水口解剖结果，浸入式水口内壁面形貌变化为：近光滑壁面— 多孔耐火材料壁面—结瘤壁面. 通过建立 1∶1 水力学模型，并在水力学模型内镶嵌多孔耐火材料和结瘤物方式来模拟浇注过程浸入式水口内壁形貌变化，利用 PIV 技术表征了三种内壁形貌下的边界层流场结构. （2）壁面状态的变化导致流场边界层厚度由 3.93 mm 减小到 1.77 mm，壁面附近剪切力增强，距 (d) 25.83 27.4 28.24 23.88 21.47 25.34 Smooth wall Porous refractory wall Clog wall 0 5 10 15 20 25 30 35 Probability/ % SEN surface morphologies Sweep events Ejection events (b) (c) −0.2 −0.1 0 0.1 0.2 −0.5 −0.4 −0.3 −0.2 −0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 u′/(m·s−1) v′/(m·s−1 ) −0.2 −0.1 0 0.1 0.2 −0.5 −0.4 −0.3 −0.2 −0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 u′/(m·s−1) v′/(m·s−1 ) −0.2 −0.1 0 0.1 0.2 −0.5 −0.4 −0.3 −0.2 −0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 u′/(m·s−1) v′/(m·s−1 ) (a) 图 6 不同壁面状态下，在距离壁面 0.5 mm 处，1 s 时间内的边界层流场法向和流向脉动速度象限统计. （a）光滑壁面；（b）多孔材料壁面；（c）结瘤壁面；（d）下扫事件与上抛事件概率统计 Fig.6 u' and v' distribution at a distance of 0.5 mm to the boundary during one second in the different wall morphologies: (a) the smooth wall; (b) the porous wall; (c) the refractory wall; (d) the probability statistic of the sweep and ejection events 华承健等：浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响 · 931 ·

离壁面 1.5 mm 内的法向湍流强度增加到 1.5× 10−3 m 2 ·s−2，边界层内的法向湍流输运增强. 法向脉动速度由 0.025 m·s−1 增加到 0.15 m·s−1，流向脉动速度无明显变化. 通过象限分析法，辨识了三种壁面条件下边界层流场中的上抛和下扫事件. 壁面低速流体远离壁面为上抛事件，高速流体朝向壁面运动为下扫事件. （3）尺寸为 1、5、10 和 15 μm 的氧化铝夹杂物在边界层流场内的上抛事件发生时被带离壁面，下扫事件时被带向壁面；不同尺寸的氧化铝夹杂 −1.0 −0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 −4.0 −3.5 −3.0 −2.5 −2.0 −1.5 −1.0 −0.5 0 Boundary layer Boundary layer Boundary layer Smooth wall Porous refractory wall Clog wall 10.17 29.62 39.77 32.96 5.09 9.24 Smooth wall Porous refractory wall Clog wall 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Area proportion/ % SEN surface morphologies Sweep events Ejection events (c) (d) (a) (b) X/mm Y/mm −1.0 −0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 −4.0 −3.5 −3.0 −2.5 −2.0 −1.5 −1.0 −0.5 0 X/mm Y/mm −1.0 −0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 −4.0 −3.5 −3.0 −2.5 −2.0 −1.5 −1.0 −0.5 0 X/mm Y/mm 图 7 壁面附近上抛、下扫事件的平面分布. （a）近光滑壁面；（b）多孔壁面；（c）结瘤壁面；（d）三种壁面条件流场边界层内上抛、下扫事件平面占比 Fig.7 Sweep and ejection events distribution near the wall boundary: (a) smooth wall；(b) porous refractory wall；(c) clogged wall; (d) area proportion of the sweep and the ejection events in the boundary layer 0.47 0.48 0.49 0.50 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.50 0.52 0.54 0.56 0.58 0.60 0 0.05 0.10 0.15 0.4708 0.4710 0.4712 0.4714 0.4716 0.4718 0.4720 0.4722 0.264 0.268 0.272 0.276 (a) (b) X/mm 0.5822 0.5824 0.5826 0.5828 0.5830 0.5832 Transport distance in Y-axis direction/mm X/mm Transport distance in Y-axis direction/mm X/mm Alumina inclusion diameter Transport distance in Y-axis direction/mm X/mm Transport distance in Y-axis direction/mm 15 µm 10 µm 5 µm 1 µm Alumina inclusion diameter 15 µm 10 µm 5 µm 1 µm 0.1340 0.1348 0.1356 0.1364 图 8 氧化铝夹杂物在多孔耐火材料壁面边界层流场不同事件中的运动轨迹. （a）下扫事件；（b）上抛事件 Fig.8 Alumina inclusions transport path in the porous refractory wall boundary layer: (a) the sweep event; (b) the ejection event · 932 · 工程科学学报，第 43 卷，第 7 期

华承健等：浸人式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响 933· 0.505 0.62(a (b) 0.500 0.60 -Clog wall 0.495 -Porous refractory wall 0.58 Smooth wall 0.490 0.54 0.480 Clog wall -Porous refractory wall 0.475 0.52 Smooth wall 0.470 0.50 0.465 00.030.060.090.120.150.18 00.060.120.180.240.300.360.42 Transport distance in Y-axis direction/mm Transport distance in Y-axis direction/mm 图9粒径1m的夹杂物在边界层流场不同事件中的运动轨迹.(a)下扫事件：(b)上抛事件 Fig.9 Transport path of alumina inclusions with 1 um diameter in the boundary layer under different events:(a)the sweep event;(b)the ejection event (a) (b) Ejection event Ejection event Sweep event Ejection event Alumina incluions Sweep event Sweep event 图10边界层内氧化铝夹杂物运动机理示意图.()近光滑壁面：(b)多孔耐火材料壁面和结瘤壁面 Fig.10 Schematic of the alumina inclusion transport in the boundary layer:(a)smooth wall;(b)porous refractory and clogged wall 物在同一事件中的运动轨迹相近；边界层流场中 on formation of clogging deposits.ISIn,019,59(5):749 的上抛和下扫事件对夹杂物运动轨迹有直接影 [2]Deng Z Y,Zhu M Y,Zhou Y L,et al.Attachment of alumina on 响，粒径1m氧化铝夹杂物在下扫事件中更容易 the wall of submerged entry nozzle during continuous casting of 沉积在壁面；边界层流场中的下扫事件直接导致 Al-killed steel.Metall Mater Trans B,2016,47(3):2015 [3] Ni P Y,Jonsson LTI,Ersson M,et al.Transport and deposition of 氧化铝夹杂物朝向壁面运动. non-metallic inclusions in steel flows-a comparison of different (4)多孔耐火材料壁面和结瘤壁面的法向湍 model predictions to pilot plant experiment data.Sreel Resm 流输运更强，氧化铝夹杂物在法向运动幅度更大， 2017,88(12):1700155 多孔壁面和结瘤壁面边界层流场下扫事件平面占 [4]Lee S J,Lee S H.Flow field analysis of a turbulent boundary layer 比与光滑壁面相比呈现增加趋势，分别为29.62% over a riblet surface.Exp Fluids,2001,30(2):153 和39.77%，其在上抛事件的平面占比与光滑壁面 [5] Walsh M,Lindemann A.Optimization and application of riblets 相比呈现减小趋势，分别为5.09%和9.24%：壁面 for turbulent drag reduction /22nd Aerospace Sciences Meeting. 形貌为多孔耐火材料壁面和结瘤壁面时，下扫事 Reno,1984:1 [6] Chang Y F,Jiang N.Experimental study on coherent structure 件发生的概率分别增加至27.4%和28.24%，这将 passive control and drag reduction in turbulent boundary layer with 会加速氧化铝夹杂物在多孔耐火材料壁面和结瘤 grooved surface.JAerosp Power,2008,23(5):788 壁面沉积进程 (常跃峰，姜楠.沟槽壁湍流多尺度相干结构实验研究.航空动力学报，2008,23(5)：788) 参考文献 [7]Minier J P,Pozorski J.Particles in Wall-Bounded Turbulent [1]Lee J H,Kang M H,Kim S K,et al.Influence of Al/Ti ratio in Ti- Flows:Deposition.Re-Suspension and Agglomeration.Cham: ULC steel and refractory components of submerged entry nozzle Springer International Publishing,2017

物在同一事件中的运动轨迹相近；边界层流场中的上抛和下扫事件对夹杂物运动轨迹有直接影响，粒径 1 μm 氧化铝夹杂物在下扫事件中更容易沉积在壁面；边界层流场中的下扫事件直接导致氧化铝夹杂物朝向壁面运动. （4）多孔耐火材料壁面和结瘤壁面的法向湍流输运更强，氧化铝夹杂物在法向运动幅度更大. 多孔壁面和结瘤壁面边界层流场下扫事件平面占比与光滑壁面相比呈现增加趋势，分别为 29.62% 和 39.77%，其在上抛事件的平面占比与光滑壁面相比呈现减小趋势，分别为 5.09% 和 9.24%；壁面形貌为多孔耐火材料壁面和结瘤壁面时，下扫事件发生的概率分别增加至 27.4% 和 28.24%，这将会加速氧化铝夹杂物在多孔耐火材料壁面和结瘤壁面沉积进程. 参考文献 Lee J H, Kang M H, Kim S K, et al. Influence of Al/Ti ratio in Ti− ULC steel and refractory components of submerged entry nozzle [1] on formation of clogging deposits. ISIJ Int, 2019, 59（5）: 749 Deng Z Y, Zhu M Y, Zhou Y L, et al. Attachment of alumina on the wall of submerged entry nozzle during continuous casting of Al-killed steel. Metall Mater Trans B, 2016, 47（3）: 2015 [2] Ni P Y, Jonsson L T I, Ersson M, et al. Transport and deposition of non-metallic inclusions in steel flows- a comparison of different model predictions to pilot plant experiment data. Steel Res Int, 2017, 88（12）: 1700155 [3] Lee S J, Lee S H. Flow field analysis of a turbulent boundary layer over a riblet surface. Exp Fluids, 2001, 30（2）: 153 [4] Walsh M, Lindemann A. Optimization and application of riblets for turbulent drag reduction // 22nd Aerospace Sciences Meeting. Reno, 1984: 1 [5] Chang Y F, Jiang N. Experimental study on coherent structure passive control and drag reduction in turbulent boundary layer with grooved surface. J Aerosp Power, 2008, 23（5）: 788 （常跃峰, 姜楠. 沟槽壁湍流多尺度相干结构实验研究. 航空动力学报, 2008, 23（5）：788） [6] Minier J P, Pozorski J. Particles in Wall-Bounded Turbulent Flows: Deposition, Re-Suspension and Agglomeration. Cham: Springer International Publishing, 2017 [7] 0.50 0.52 0.54 0.56 0.58 0.60 0.62 0 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18 0.465 0.470 0.475 0.480 0.485 0.490 0.495 0.500 0.505 (a) (b) 0 0.06 0.12 0.18 0.24 0.30 0.36 0.42 Clog wall Porous refractory wall Smooth wall Transport distance in Y-axis direction/mm Transport distance in Y-axis direction/mm X/mm X/mm Clog wall Porous refractory wall Smooth wall 图 9 粒径 1 μm 的夹杂物在边界层流场不同事件中的运动轨迹. （a）下扫事件；（b）上抛事件 Fig.9 Transport path of alumina inclusions with 1 μm diameter in the boundary layer under different events: (a) the sweep event; (b) the ejection event (a) Ejection event Sweep event Flow direction Smooth wall (b) Ejection event Ejection event Sweep event Sweep event Alumina incluions Flow direction Porous refractory or clog wall 图 10 边界层内氧化铝夹杂物运动机理示意图. （a）近光滑壁面；（b）多孔耐火材料壁面和结瘤壁面 Fig.10 Schematic of the alumina inclusion transport in the boundary layer: (a) smooth wall；(b) porous refractory and clogged wall 华承健等：浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响 · 933 ·

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