·114· 北京科技大学学报 2006年第2期 将式(4)分子和分母同乘以ρ/μ2，得： 流出，用流量计控制流量.钢包中水温T1,中间 △pgl2p △pgl2p 包水温T2,以及它们的温差△T用电阻元件加热 自来水控制.中间包内选择10个特征点(1~10 Zb= pul2 Re2 (5) 点)装有连续测温装置，由数据采集系统实时显示 4 并记录和处理，得到中间包内各点温度的变化. 由流体膨胀系数P的定义可知： 在实验中对入流染色并作连续拍照，以观察中间 ={, 包内的宏观流动特征 p△T (6) 则有： (1)T △glp=9△Tglp=g9AT (/p)2= 接口 照相机 热电偶 gUBAT 计算机 Gr y2 7 故式(5)可以变成： 图2实验装置示意图 2五= (8) Fig.2 Schematic diagram of the non-lsothermal water modeling Re2 system 上式中，分子和分母都是无因次准数.G为格拉 晓夫准数，表示流体流动的浮力和粘性力的比值； 2.2实验方案 Re为雷诺准数，为流体流动的惯性力和粘性力的 实验对不同操作条件下的中间包进行了模 比值.因此，2弘也是一个无因次的数组，把它定 拟.由前述可知，影响中间包准数b的因素包括 义为中间包准数，表示浮力和惯性力的大小关系， 温度差、液面高度及流量（速度）等.为了方便，把 用来判定流动对温度变化的敏感程度，显然，当 多数参数固定，主要改变入流与中间包内的温度 浮力与惯性力的作用相近时，流动受二者共同控· 差△T.模型实验主要参数：熔池深度为0.35m, 制.当流体受到的热浮力远大于惯性力时，流动 长度为0.83m,流量分别为160,300,600L· 以自然对流为主.反之，当流体受到的热浮力远 h-',温差△T分别为±20℃，±15℃，±10℃， 小于惯性力时，则惯性力起主要作用，流动以强制 ±7℃，±4℃，±3℃，±2℃，±1℃，0℃（等温）. 对流为主，这时温度差对流体流动的影响可以忽 3实验结果 略不计 如果温差取绝对值，得到乃与温度的关系式： 3,1正温差的实验结果 图3是温差为+20℃，+10℃，+4℃，+2℃ glBl△Tl 和0℃（入流与包内水温相等）得到的照片.图中 v2 Bgl 2 (9) Re2 黑色示踪剂显示的流股表示入流在中间包水模型 内的流动情况.在等温条件下（图3(）)，由于有 从式(9)可以看出，连铸中间包流动可能对温 上下挡板的存在，入流进入中间包后，在注入口附 度的变动十分敏感.因而设计了一套中间包内非 近产生强烈搅拌和混合.主流股在挡板的引导 等温流动出现、存在和消失的临界条件的实验测 下，越过下挡板后上扬，沿熔池上部流向出口，在 试装置 接近出口区上方开始改变方向，以接近于抛物线 2实验条件 的路径流向出口，在中间包右半部形成一个顺时 针的回流，在下挡板右方和中间包的右上角各有 2.1水力模型和实验装置 一个死区（图中的白色区域）.这种流动图形代表 根据相似理论，保证模型与原型的几何相似、 了等温条件下中间包内流体流动的主要趋势和走 动力相似和热相似，设计了一个中间包的二维水 向，流体的流动是一个强制对流过程，从图3(a) 力学模型，在如图2所示的实验装置上对中间包 中可以清楚地看到，在非等温条件下（入流水温比 内非等温体系下钢水的流动过程进行研究 中间包内水温高20℃)，流体在中间包内的流动 图2中，水从钢包(1)注入中间包(2)，由出口 方式发生了变化，带色的入流存在明显的上浮现北 京 科 技 大 学 学 报 ‘ 年第 期 将式 分子和分母 同乘以 川产 ， 得 △蒯 △脚 产 尸 ， 、 一 由流体膨胀系数 尹的定义可知 。 二 一 厂 习 业 △ 、 一 工 竺旦 △ 流 出 ， 用流量 计控 制流 量 钢 包 中水 温 ， 中间 包水温 ， 以及它 们的温差 △ 用 电阻元件加热 自来水控制 中间包 内选 择 个 特征 点 一 点 装有连续测温装置 ， 由数据采集系统实时显示 并记录 和 处 理 ， 得到 中间包 内各 点温 度 的变化 在实验 中对入 流染色 并 作连续 拍 照 ， 以观察 中间 包 内的宏观流 动特征 则有 △蒯 一 产 砂△ 抢 一 群 解 夕△ 产 户 解 月△ 二 卿 一 工 「一一刁 」 碑 一 ③ ② 热电偶 昌 ‘ ，兀 故式 可以变成 ， 乙 二一百 尺召‘ 图 实验装里示意图 址哑 川目旧 址 加 · 好日妞 上式 中 ， 分子和分母都是无 因次准数 为格拉 晓夫准数 ， 表示 流体流动的浮力和粘性力的比值 。 为雷诺准数 ， 为流体流动 的惯性力和粘性 力 的 比值 因此 ， 也是 一 个 无 因次 的数 组 ， 把 它 定 义为 中间包准数 ， 表示 浮力和惯性力的大小关系 ， 用来判定流 动对 温 度变化 的敏感 程 度 显 然 ， 当 浮力与惯性力 的作用 相近 时 ， 流动受二 者共 同控 制 当流体受到 的热 浮 力远大 于惯性力 时 ， 流 动 以 自然对 流 为主 反 之 ， 当流 体受到 的热 浮力远 小于 质性力时 ， 则惯性力起 主要作用 ， 流动以强制 对流为主 ， 这时温度差 对 流体流 动 的影 响可 以 忽 略不计 如果温差取绝对值 ， 得到 乃 与温度的关系式 尹 △ ， 了气 口作 了 夕 弓 ‘ ， 、 口 一 ， 一 “ 上 、 ， 找 一 卫三 一 从式 可以看 出 ， 连 铸中间包流动可能对温 度的变动十分敏感 因而设计 了一套 中间包 内非 等温流动出现 、 存在 和 消失 的临界条件的实验 测 试装置 实验条件 水力模型和实验装置 根据相似理 论 ， 保证模型与原型 的几何相似 、 动力相似和热相似 ， 设计 了一个 中间包 的二 维水 力学模型 ， 在如图 所示 的实验装置 上 对 中间包 内非等温体系下钢水的流动过 程进行研究 图 中 ， 水从钢包 注入 中间包 ， 由出 口 实验方案 实验对 不 同操 作条 件 下 的 中间包进 行 了模 拟 由前述可知 ， 影响中间包准数 的因素包括 温度差 、 液面高度及流量 速度 等 为了方便 ， 把 多数参数固定 ， 主 要 改变入 流 与 中间包 内的温 度 差 △ 模型实验 主要参数 熔 池 深度为 ， 长度 为 ， 流 量 分 别 为 ， ， · 一 ’ ， 温差 △ 分别为 士 ℃ ， 士 ℃ ， 士 ℃ ， 士 ℃ ， 士 ℃ ， 士 ℃ ， 士 ℃ ， 士 ℃ ， ℃ 等温 实验结果 正温差的实验结果 图 是温差为 十 ℃ ， 十 ℃ ， ℃ ， 十 ℃ 和 ℃ 入 流与包 内水 温相等 得 到 的照 片 图 中 黑色示踪剂显示 的流股表示入流在 中间包水模型 内的流动情况 在等温条件 下 图 ， 由于 有 上下挡板 的存在 ， 入流进入 中间包后 ， 在注入 口 附 近 产 生 强 烈搅拌 和 混 合 主 流 股 在 挡板 的引导 下 ， 越 过 下挡板后 上 扬 ， 沿熔 池上 部流 向出 口 ， 在 接近 出 口 区上 方开 始改变方 向 ， 以接近 于抛 物 线 的路径流 向出 口 ， 在 中间包右半部形 成 一 个 顺 时 针的回流 ， 在 下挡板 右方和 中间包 的右上 角各有 一个死 区 图中的白色 区域 这种流动 图形 代表 了等温条件下 中间包 内流体流动的主要趋势和走 向 ， 流体的流动是一 个 强 制对 流过 程 从 图 中可以清楚地看到 ， 在非等温条件下 入流水温 比 中间包 内水温 高 ℃ ， 流 体 在 中间包 内的流 动 方式发 生 了变化 ， 带 色 的入 流 存在 明显 的上 浮现