刘福海等：拉瓦尔喷管结构模式对超音速射流流动特性的影响 55· 喷管将高压氧气转变为高速氧气，使氧气射流具 的马赫数、动压及卷吸特性，对比了氧气射流流场 备更大的冲击搅拌能力.当超音速氧气射流到达 分布规律 熔池表面后，在三相（氧气-熔渣一钢液）界面处发 1 热态喷吹试验装置 生剧烈的物理化学作用，并完成搅拌混匀、传质及 传热，通过氧化反应去除杂质元素，以实现规定钢 本研究使用的流场喷吹试验装置如图1所示， 种的高效冶炼和稳定生产因此，超音速氧气 该系统主要包括供气系统、控制系统以及检测系 射流流动特性的优劣对炼钢过程的冶金效果及经 统.系统核心装置氧枪采用水冷结构设计，保证氧 济指标有着极为重大的影响.同时，考虑到不同炉 枪喷管结构强度.不同拉瓦尔喷管几何结构均按 形结构及工艺特点，为获得合理高效的超音速射 马赫数为2.00，射流流量为3450m3-h设计.传统 流流动特性，研究者们设计了一系列具有实际应 锥线形拉瓦尔喷管（简称锥形喷管）的喉口及出口 用特性的新型氧枪喷头结构，如：旋流型、异径 直径分别为31.0及40.3mm,其设计方法如式(1) 型、集束型及混合型等，并针对相关喷头结构进行 及式(2)所示]特征线拉瓦尔喷管（简称曲线喷 了深入的氧气喷吹特性及多相流流动规律的理论 管)的喉口及出口直径分别为30.0及39.4mm,其 分析及应用研究- 设计方法如式(3)~(5)所示 王慧等]通过转炉多相流数值模拟计算研究 了旋转氧枪在不同旋转角度下多流股超音速氧气 9=1.782C4 (1) To 射流的流场分布及冲击搅拌特性，提出旋流喷头 的射流分布相对分散，可作用于熔池不同部位，提 Ae =C (2) A 高射流与熔池表面的接触面积，增加射流对熔池 Environment 的冲击效果及反应速率.Sambasivami等9提出了 chamber 在多孔超音速氧枪喷头中心处增加亚音速喷孔的 Oxygen lance 设计结构，首先利用水模拟方法详细对比了射流 Air Pressure tank Pitot sensor 冲击特性，而后又分析了常用枪位下氧气射流横 Valve 截面的射流速度分布特点，指出该种异径氧枪结 bank Computer 构可延长喷头使用寿命，有助于转炉冶炼的过程 围1热态喷吹试验系统示意图 控制.Liu等o及Odenthal等四利用环缝式布置 Fig.1 Schematic of the experiment system 结构改装传统集束射流氧枪，结合数值模拟方法 式中：To为氧气入口温度，K;Po为氧气入口总压， 及热态试验结果研究了不同模式下氧气射流的流 MPa;A,及Ae分别为拉瓦尔管喷喉口及出口面积， 动特性，认为采用环缝式内燃结构可提高伴随流 中可燃介质的利用效率，达到延长氧气射流核心 m2:g为氧枪设计流量，m3min;Co为流量系数， 数值为0.94；C为设计马赫数下出口与喉口面积 段长度的效果.Wu等四通过优化“氧气-石灰粉” 比，数值为1.6875] 混合音速氧枪结构提高氧气冲击效果及石灰粉投 放能力，采用对称布置的模拟结构分析了不同供 upVdy=pVay (3) 氧模式下高速氧气射流的速度衰减与扩散特性， 初步提出了新结构下“氧气-石灰粉”混合喷吹的 (r2-a2)de+2v-(2-d2)4]dw4-drs=0 技术优势 (4) 目前，仍缺乏针对冶金过程用氧枪拉瓦尔喷 管的几何结构设计的相关研究，国内大部分钢铁 (a2-a2）u+2-d2)y+2w,-2 0 (5) y 企业仍采用传统锥线形拉瓦尔喷管结构.因此，本 式中：Qt、'a及Pa分别氧枪设计流量(kgs)、设 文利用特征线法对转炉氧枪拉瓦尔喷管进行优化 计马赫数对应射流速度(ms)及设计马赫数对应 设计，以提高现有超音速氧气射流的流动特性.本 氧气密度(kgm)；V及p分别为实际射流速度 研究，统一了不同拉瓦尔喷管的几何结构初始设 (ms)及实际氧气密度(kgm)；a为当地声速， 计参数，分析了相同计算条件下不同喷管结构内 ms;为F点的纵坐标值，m;u和v分别为氧气 部高压氧气压缩与扩张特点，研究了高温环境下 轴向速度和径向速度，ms;4和4，分别为当地轴 优化前后喷管在3种不同供氧模式的超音速射流 向速度在x或y方向的偏导数，s;y和v,分别为喷管将高压氧气转变为高速氧气，使氧气射流具 备更大的冲击搅拌能力. 当超音速氧气射流到达 熔池表面后，在三相（氧气–熔渣–钢液）界面处发 生剧烈的物理化学作用，并完成搅拌混匀、传质及 传热，通过氧化反应去除杂质元素，以实现规定钢 种的高效冶炼和稳定生产[3–4] . 因此，超音速氧气 射流流动特性的优劣对炼钢过程的冶金效果及经 济指标有着极为重大的影响. 同时，考虑到不同炉 形结构及工艺特点，为获得合理高效的超音速射 流流动特性，研究者们设计了一系列具有实际应 用特性的新型氧枪喷头结构，如：旋流型、异径 型、集束型及混合型等，并针对相关喷头结构进行 了深入的氧气喷吹特性及多相流流动规律的理论 分析及应用研究[5–12] . 王慧等[8] 通过转炉多相流数值模拟计算研究 了旋转氧枪在不同旋转角度下多流股超音速氧气 射流的流场分布及冲击搅拌特性，提出旋流喷头 的射流分布相对分散，可作用于熔池不同部位，提 高射流与熔池表面的接触面积，增加射流对熔池 的冲击效果及反应速率. Sambasivami 等[9] 提出了 在多孔超音速氧枪喷头中心处增加亚音速喷孔的 设计结构，首先利用水模拟方法详细对比了射流 冲击特性，而后又分析了常用枪位下氧气射流横 截面的射流速度分布特点，指出该种异径氧枪结 构可延长喷头使用寿命，有助于转炉冶炼的过程 控制. Liu 等[10] 及 Odenthal 等[11] 利用环缝式布置 结构改装传统集束射流氧枪，结合数值模拟方法 及热态试验结果研究了不同模式下氧气射流的流 动特性，认为采用环缝式内燃结构可提高伴随流 中可燃介质的利用效率，达到延长氧气射流核心 段长度的效果. Wu 等[12] 通过优化“氧气–石灰粉” 混合音速氧枪结构提高氧气冲击效果及石灰粉投 放能力，采用对称布置的模拟结构分析了不同供 氧模式下高速氧气射流的速度衰减与扩散特性， 初步提出了新结构下“氧气–石灰粉”混合喷吹的 技术优势. 目前，仍缺乏针对冶金过程用氧枪拉瓦尔喷 管的几何结构设计的相关研究，国内大部分钢铁 企业仍采用传统锥线形拉瓦尔喷管结构. 因此，本 文利用特征线法对转炉氧枪拉瓦尔喷管进行优化 设计，以提高现有超音速氧气射流的流动特性. 本 研究，统一了不同拉瓦尔喷管的几何结构初始设 计参数，分析了相同计算条件下不同喷管结构内 部高压氧气压缩与扩张特点，研究了高温环境下 优化前后喷管在 3 种不同供氧模式的超音速射流 的马赫数、动压及卷吸特性，对比了氧气射流流场 分布规律. 1    热态喷吹试验装置 本研究使用的流场喷吹试验装置如图 1 所示， 该系统主要包括供气系统、控制系统以及检测系 统. 系统核心装置氧枪采用水冷结构设计，保证氧 枪喷管结构强度. 不同拉瓦尔喷管几何结构均按 马赫数为 2.00，射流流量为 3450 m 3 ·h−1 设计. 传统 锥线形拉瓦尔喷管（简称锥形喷管）的喉口及出口 直径分别为 31.0 及 40.3 mm，其设计方法如式（1） 及式（2）所示[13] . 特征线拉瓦尔喷管（简称曲线喷 管）的喉口及出口直径分别为 30.0 及 39.4 mm，其 设计方法如式（3）～（5）所示[14] . q = 1.782CD At p0 √ T0 （1） Ae At = C （2） 式中：T0 为氧气入口温度，K；p0 为氧气入口总压， MPa；At 及 Ae 分别为拉瓦尔管喷喉口及出口面积， m 2 ；q 为氧枪设计流量，m 3 ·min−1 ；CD 为流量系数， 数值为 0.94；C 为设计马赫数下出口与喉口面积 比，数值为 1.6875[13] . Qint = 2π w yF 0 ρVydy = πρdVdy 2 F （3） ( u 2 −a 2 ) du± + [ 2uv− ( u 2 −a 2 ) λ± ] dv± − a 2 v y dx± = 0 （4） ( u 2 −a 2 ) ux + ( v 2 −a 2 ) vy +2uvuy − a 2 v y = 0 （5） yF 式中：Qint、Vd 及 ρd 分别氧枪设计流量（kg·s−1）、设 计马赫数对应射流速度（m·s−1）及设计马赫数对应 氧气密度（ kg·m−3） ；V 及 ρ 分别为实际射流速度 （m·s−1）及实际氧气密度（kg·m−3） ；a 为当地声速， m·s−1 ； 为 F 点的纵坐标值，m；u 和 v 分别为氧气 轴向速度和径向速度，m·s−1 ；ux 和 uy 分别为当地轴 向速度在 x 或 y 方向的偏导数，s −1 ；vx 和 vy 分别为 Environment chamber Oxygen lance Air tank Pressure Pitot sensor Valve bank Computer 图 1    热态喷吹试验系统示意图 Fig.1    Schematic of the experiment system 刘福海等： 拉瓦尔喷管结构模式对超音速射流流动特性的影响 · 55 ·