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 glmlayer. 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