第36卷第5期 北京科技大学学报 Vol.36 No.5 2014年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2014 环境温度对超音速氧气射流特性影响的数值模拟 赵飞，张延玲四，朱荣，朱伶枫，田冬东 北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:zhangyanling@metal.usth.edu.cn 摘要通过数值模拟的方法研究了不同环境温度条件下超音速氧气射流的特性，并与前人的实验结果进行了对比分析.研 究结果表明：与低温环境条件相比，高温环境条件下超音速氧气射流的速度衰减受到抑制，射流核心段长度得到延长：不同环 境温度条件下，氧气射流的温度随着氧气射流的扩散不断升高，最终趋于环境温度：射流的压力分布趋势与射流速度分布趋 势一致.数值模拟得到的射流速度、温度和压力结果与实测值吻合度较高。 关键词炼钢：超音速流动：射流：流场：温度：数值分析 分类号TF721 Numerical simulation of environmental temperature effect on supersonic oxygen jet behavior ZHAO Fei,ZHANG Yan-ing,ZHU Rong,ZHU Ling-feng,TIAN Dong-dong State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:zhangyanling@metall.ustb.edu.en ABSTRACT The characteristics of a supersonic oxygen jet at different environmental temperatures were studied by numerical simula- tion and compared with previous experimental results.It is found that the velocity attenuation of the oxygen jet is inhibited and the jet core length is extended under a high temperature environment compared with a low temperature environment.The jet temperature at different environmental temperatures becomes higher with oxygen diffusion and is close to environmental temperature finally.The jet pressure distribution has the same trend with the jet velocity distribution.The numerical simulation results of jet velocity,temperature and pressure have a relative high correlation with the measured values. KEY WORDS steelmaking:supersonic flow:jets;flow fields:temperature:numerical analysis 近年来，随着钢铁企业对环境保护重视程度的 出了射流扩散速率与马赫数之间的关系，但关于超 不断提高，要求炼钢过程中产生的钢渣量越少越好. 音速冷射流在高温气体环境中特性的变化则很少研 超音速氧气射流由于能够提供较强的冲击能力和较 究.Kapner等日研究了气体环境温度对轴对称圆形 高的反应效率，广泛用于转炉的氧气顶吹，氧气顶吹 超音速射流特性的某些影响；但由于环境温度与射 技术是控制转炉渣量的重要因素之一·自从超音速 流滞止温度差限于250℃以内，研究结果尚不能令 射流技术实现以来，国内外学者己对超音速射流行 人满意，未能找到高温气体环境中射流超音速核心 为的特性进行大量而广泛研究.很多关于射流特性 段长度随温度的变化规律，需进一步研究.Sumi 的研究都集中于射流温度与环境温度接近或高于环 等团针对不同温度气体环境中超音速氧气射流温 境温度-)，Lau等采用激光测速仪对超音速自由 度、压力沿轴向分布、马赫数轴向衰减和径向分布进 射流在常温常压气体环境中的特性进行了研究，给 行了实验研究，实验结果较为理想：但由于受到测量 收稿日期：201308-20 基金项目：国家重大科学仪器设备开发专项资助项目(2011YQ14014505):中央高校基本科研业务费资助项目(FR-AS-12004) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.05.015:http://journals.ustb.edu.cn第 36 卷 第 5 期 2014 年 5 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 5 May 2014 环境温度对超音速氧气射流特性影响的数值模拟 赵 飞，张延玲，朱 荣，朱伶枫，田冬东 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083  通信作者，E-mail: zhangyanling@ metall． ustb． edu． cn 摘 要 通过数值模拟的方法研究了不同环境温度条件下超音速氧气射流的特性，并与前人的实验结果进行了对比分析． 研 究结果表明: 与低温环境条件相比，高温环境条件下超音速氧气射流的速度衰减受到抑制，射流核心段长度得到延长; 不同环 境温度条件下，氧气射流的温度随着氧气射流的扩散不断升高，最终趋于环境温度; 射流的压力分布趋势与射流速度分布趋 势一致． 数值模拟得到的射流速度、温度和压力结果与实测值吻合度较高． 关键词 炼钢; 超音速流动; 射流; 流场; 温度; 数值分析 分类号 TF 721 Numerical simulation of environmental temperature effect on supersonic oxygen jet behavior ZHAO Fei，ZHANG Yan-ling ，ZHU Ｒong，ZHU Ling-feng，TIAN Dong-dong State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: zhangyanling@ metall． ustb． edu． cn ABSTＲACT The characteristics of a supersonic oxygen jet at different environmental temperatures were studied by numerical simula￾tion and compared with previous experimental results． It is found that the velocity attenuation of the oxygen jet is inhibited and the jet core length is extended under a high temperature environment compared with a low temperature environment． The jet temperature at different environmental temperatures becomes higher with oxygen diffusion and is close to environmental temperature finally． The jet pressure distribution has the same trend with the jet velocity distribution． The numerical simulation results of jet velocity，temperature and pressure have a relative high correlation with the measured values． KEY WOＲDS steelmaking; supersonic flow; jets; flow fields; temperature; numerical analysis 收稿日期: 2013--08--20 基金项目: 国家重大科学仪器设备开发专项资助项目( 2011YQ14014505) ; 中央高校基本科研业务费资助项目( FＲF--AS--12--004) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 05． 015; http: / /journals． ustb． edu． cn 近年来，随着钢铁企业对环境保护重视程度的 不断提高，要求炼钢过程中产生的钢渣量越少越好． 超音速氧气射流由于能够提供较强的冲击能力和较 高的反应效率，广泛用于转炉的氧气顶吹，氧气顶吹 技术是控制转炉渣量的重要因素之一． 自从超音速 射流技术实现以来，国内外学者已对超音速射流行 为的特性进行大量而广泛研究． 很多关于射流特性 的研究都集中于射流温度与环境温度接近或高于环 境温度［1--3］，Lau 等［4］采用激光测速仪对超音速自由 射流在常温常压气体环境中的特性进行了研究，给 出了射流扩散速率与马赫数之间的关系，但关于超 音速冷射流在高温气体环境中特性的变化则很少研 究． Kapner 等［5］研究了气体环境温度对轴对称圆形 超音速射流特性的某些影响; 但由于环境温度与射 流滞止温度差限于 250 ℃ 以内，研究结果尚不能令 人满意，未能找到高温气体环境中射流超音速核心 段长度随温度 的 变 化 规 律，需 进 一 步 研 究． Sumi 等［6］针对不同温度气体环境中超音速氧气射流温 度、压力沿轴向分布、马赫数轴向衰减和径向分布进 行了实验研究，实验结果较为理想; 但由于受到测量