王耀等：应用格子Boltzmann方法直接数值模拟研究钢中夹杂物上浮及碰撞行为 ·647 2模拟结果与讨论 2.1数值算法和流固耦合模型验证 铝由于其较强的脱氧能力，现已成为治炼低氧钢 和超低氧钢最常见的脱氧剂之一·因此，本研究选择 固态氧化铝夹杂物颗粒作为研究对象.为了验证本文 所采用的格子Boltzmann法及流一固耦合模型的可靠 性，首先模拟静止钢液中直径d=40μm及d=80μm 球状A山，0，夹杂物的上浮过程.图5为不同尺寸夹杂 物颗粒上浮达到稳定时，模拟区域Y-Z中心对性面 上钢液速度分布图 从图5可以看出，对于不同尺寸的夹杂物颗粒来 图4模拟区域结构示意图 说，夹杂物颗粒的尺寸越大，夹杂物颗粒的终点上浮速 Fig.4 Schematic view of the simulation domain 度越大.并且由于夹杂物颗粒表面和钢液之间采用无 滑移边界条件，夹杂物颗粒周围钢液的速度分布也是 表1钢液与A山20，夹杂物颗粒的物性参数 Table 1 Physical properties of steel and Al,O,inclusion particles 相似的，即靠近夹杂物周围位置处钢液速度较大，远离 夹杂物颗粒处钢液速度较小，直至夹杂物颗粒的运动 类型 符号 取值 不会对钢液流场产生影响.夹杂物颗粒所受钢液黏滞 A203密度/(kgm) Pe 3600 阻力的方向与夹杂物颗粒和钢液相对运动速度的方向 钢液密度/(kgm3) P 7000 相反，夹杂物颗粒达到稳定上浮时，其所受重力、浮力 钢液动力黏度/(N·sm2) m 0.005 和钢液黏滞阻力达到平衡.图6为模拟得到的不同尺 重力加速度/(Nkg) 寸夹杂物颗粒在钢液中的上浮速度随时间变化的 9.8 关系 (a b o 0 405203 ,6 1.0 钢液速度/ 钢液速度/ (10m8） (103ms 图5不同尺寸夹杂物颗粒上浮达到稳定时模拟区域Y-Z中心对性面上钢液速度分布图.(a）d=40um:(b)d=80μm Fig.5 Velocity distribution in the Y-Z symmetry plane of the computational domain when different size inclusions stably floats:(a)d=40 m: (b)d=80μm 从图6可以看出，夹杂物颗粒在钢液中的上浮过 上浮速度理论计算值和模拟结果进行对比.由对比结 程可以分为两个阶段：加速上浮阶段和稳定上浮阶段. 果可以看出不同尺寸夹杂物颗粒上浮速度的理论计算 在加速上浮阶段，颗粒所受钢液的黏滞阻力随上浮速 值和模拟结果基本一致，表明本文所采用的格子Bolz- 度的增加而增加，因而上浮加速度逐渐减小，直至夹杂 mann方法和流-固耦合模型，能够较为精确有效地对 物颗粒达到稳定上浮阶段.夹杂物颗粒尺寸越小，其 固相夹杂物颗粒在钢液中上浮运动行为进行研究. 上浮达到稳定所需的时间越短，颗粒尺寸越大，其稳定 2.2夹杂物颗粒之间上浮过程中的碰撞 上浮速度越大.同时，球形夹杂物颗粒的上浮速度可 上浮碰撞是钢液中夹杂物颗粒之间主要的碰撞凝 以使用Stokes定律进行计算.将不同尺寸夹杂物颗粒 聚方式之一.对于小尺寸的夹杂物颗粒来说，其上浮王 耀等: 应用格子 Boltzmann 方法直接数值模拟研究钢中夹杂物上浮及碰撞行为 图 4 模拟区域结构示意图 Fig． 4 Schematic view of the simulation domain 表 1 钢液与 Al2O3夹杂物颗粒的物性参数 Table 1 Physical properties of steel and Al2O3 inclusion particles 类型 符号 取值 Al2O3密度/( kg·m － 3 ) ρp 3600 钢液密度/( kg·m － 3 ) ρm 7000 钢液动力黏度/( N·s·m － 2 ) μm 0. 005 重力加速度/( N·kg － 1 ) g 9. 8 2 模拟结果与讨论 2. 1 数值算法和流--固耦合模型验证 铝由于其较强的脱氧能力，现已成为冶炼低氧钢 和超低氧钢最常见的脱氧剂之一． 因此，本研究选择 固态氧化铝夹杂物颗粒作为研究对象． 为了验证本文 所采用的格子 Boltzmann 法及流--固耦合模型的可靠 性，首先模拟静止钢液中直径 d = 40 μm 及 d = 80 μm 球状 Al2O3夹杂物的上浮过程． 图 5 为不同尺寸夹杂 物颗粒上浮达到稳定时，模拟区域 Y － Z 中心对性面 上钢液速度分布图． 从图 5 可以看出，对于不同尺寸的夹杂物颗粒来 说，夹杂物颗粒的尺寸越大，夹杂物颗粒的终点上浮速 度越大． 并且由于夹杂物颗粒表面和钢液之间采用无 滑移边界条件，夹杂物颗粒周围钢液的速度分布也是 相似的，即靠近夹杂物周围位置处钢液速度较大，远离 夹杂物颗粒处钢液速度较小，直至夹杂物颗粒的运动 不会对钢液流场产生影响． 夹杂物颗粒所受钢液黏滞 阻力的方向与夹杂物颗粒和钢液相对运动速度的方向 相反，夹杂物颗粒达到稳定上浮时，其所受重力、浮力 和钢液黏滞阻力达到平衡． 图 6 为模拟得到的不同尺 寸夹杂物颗粒在钢液中的上浮速度随时间变化的 关系． 图 5 不同尺寸夹杂物颗粒上浮达到稳定时模拟区域 Y － Z 中心对性面上钢液速度分布图． ( a) d = 40 μm; ( b) d = 80 μm Fig． 5 Velocity distribution in the Y － Z symmetry plane of the computational domain when different size inclusions stably floats: ( a) d = 40 μm; ( b) d = 80 μm 从图 6 可以看出，夹杂物颗粒在钢液中的上浮过 程可以分为两个阶段: 加速上浮阶段和稳定上浮阶段． 在加速上浮阶段，颗粒所受钢液的黏滞阻力随上浮速 度的增加而增加，因而上浮加速度逐渐减小，直至夹杂 物颗粒达到稳定上浮阶段． 夹杂物颗粒尺寸越小，其 上浮达到稳定所需的时间越短，颗粒尺寸越大，其稳定 上浮速度越大． 同时，球形夹杂物颗粒的上浮速度可 以使用 Stokes 定律进行计算． 将不同尺寸夹杂物颗粒 上浮速度理论计算值和模拟结果进行对比． 由对比结 果可以看出不同尺寸夹杂物颗粒上浮速度的理论计算 值和模拟结果基本一致，表明本文所采用的格子 Boltz￾mann 方法和流--固耦合模型，能够较为精确有效地对 固相夹杂物颗粒在钢液中上浮运动行为进行研究． 2. 2 夹杂物颗粒之间上浮过程中的碰撞 上浮碰撞是钢液中夹杂物颗粒之间主要的碰撞凝 聚方式之一． 对于小尺寸的夹杂物颗粒来说，其上浮 · 746 ·