·374· 工程科学学报，第37卷，第3期 FLUENT6.0研究了三种不同控流装置配置的中间包 水模型系统，通过计算发现原型和模型的R数分别 (无控流装置中间包、上挡墙控流以及上挡墙+下挡 为5.4×10和3.5×10，均大于第二临界值，流体流 墙组合控流装置)，结果表明，配置有上、下挡墙的中 动处于自模化状态.因此只需保证原型和模型的F 间包是最优方案.Chem等图认为单流中间包下挡墙 数相等就可以保证原型与模型流动过程的动力学相 的位置和高度对包内流场的影响更为重要.Zhang 似时，就可以得到实验过程模型与原型的流量之间 等回通过数值模拟和水模型实验的方法研究了单流中 的关系： 间包上、下挡墙等控流装置的配置，发现配置有附带两 Qy=A250p (1) 个通孔的下挡墙的中间包具有更加均匀的包底流场. 式中：Qu和Qp分别为模型和原型的流量，L·min:入 合理设置中间包控流装置对于改善流场的作用，学者 为相似比，此处相似比为0.5.通过水模型系统研究中 已有共识：但学者对于中间包内控流装置的设置观点 间包内部不同控流装置对流场指标的影响规律，为实 不尽相同.尤其针对单流中间包，有的学者认为单独 际生产应用提供指导 的下挡墙即可起到控流作用，有学者则认为需要上、下 针对某钢厂应用的40t单流中间包，分别进行了 挡墙同时设置，也有学者认为需要带孔的挡墙才能更 优化前后的对比分析.选择相同钢种，分别在中间包 好地起到改善流场的作用0-9 取提桶样、铸坯低倍样来分析大型夹杂物含量、T.0和 本文以某厂401单流中间包为原型，建立相似比 N的变化. 1:2的水模型系统，通过水模型的方法研究了稳流器、 1.2实验方案 挡墙和挡坝对40：单流中间包流场特征的影响规律， A厂40！中间包原型目前的控流装置主要为湍流 在此基础上提出了优化方案，并通过现场工业实验进 抑制器与下挡墙的组合，但是下挡墙距离湍流抑制器 行了验证，取得了很好的应用效果. 冲击区较远并接近塞棒位置，实际没有起到对钢液有 效地提升的作用，因此下挡墙的位置需要进一步优化 1实验 为了研究控流装置对流动的影响程度，分别针对无控 1.1实验原理 流装置中间包（无挡墙设置）、原型（湍流抑制器+下 在连铸浇钢过程中，钢液在重力作用下从大包水 挡墙)、多挡墙（湍流抑制器+上挡墙+下挡墙）三种 口流入中间包，然后从中间包水口流出.中间包的水 方案进行了水模型实验，如表1所示.然后进一步在 模型系统需要保证现象和规律的相似性，因此必须满 原型方案的基础上进行不同下挡墙和长水口距离条件 足模型与原型之间的几何和动力学相似.本研究以某 下的水模型实验，并据此得到了合理的下挡墙布置位 钢厂40t单流中间包为原型建立了几何相似比1：2的 置，如表2 表1中间包不同控流装置配置的实验方案 Table I Experimental conditions for different configurations of flow control devices 方案 控流装置配置 评价指标 A 湍流抑制器单独控流 B 原型（湍流抑制器+下挡墙控流） 滞止时间、平均停留时间、死区比例 C 多挡墙（湍流抑制器+上挡墙+下挡墙组合控流） 表2 下挡墙优化实验方案 Table 2 Experimental scheme for the optimization of dams in the 2结果与讨论 tundish 方案 下挡墙高/mm 下挡墙与长水口距离/mm 2.1原型中间包流场指标分析 B 480 2680 不同控流装置配置的实验结果如表3所示.由表 3可知，在无挡墙条件下，滞止时间只有28.3s,说明有 Bl 400 1280 B2 400 1680 钢液流股下冲后沿着包底直接从水口流出形成短路 流，而且平均停留时间仅有207.2s,远小于理论停留 B3 400 2080 时间644.8s,死区比例较大.在中间包内增加了下挡 B4 400 2280 墙后可以明显延长滞止时间和峰值时间，平均停留时 B5 400 2480 间由原来的207.2s提高到477.4s,有较明显的改善 E6 400 2680 对比C方案数据可知，在中间包内存在下挡墙的情况 B7 400 2780 下再增加上挡墙对于流场指标的改善没有明显作用，工程科学学报，第 37 卷，第 3 期 FLUENT 6. 0研究了三种不同控流装置配置的中间包 ( 无控流装置中间包、上挡墙控流以及上挡墙 + 下挡 墙组合控流装置) ，结果表明，配置有上、下挡墙的中 间包是最优方案． Chen 等［8］认为单流中间包下挡墙 的位置 和 高 度 对 包 内 流 场 的 影 响 更 为 重 要． Zhang 等［9］通过数值模拟和水模型实验的方法研究了单流中 间包上、下挡墙等控流装置的配置，发现配置有附带两 个通孔的下挡墙的中间包具有更加均匀的包底流场． 合理设置中间包控流装置对于改善流场的作用，学者 已有共识; 但学者对于中间包内控流装置的设置观点 不尽相同． 尤其针对单流中间包，有的学者认为单独 的下挡墙即可起到控流作用，有学者则认为需要上、下 挡墙同时设置，也有学者认为需要带孔的挡墙才能更 好地起到改善流场的作用［10--14］． 本文以某厂 40 t 单流中间包为原型，建立相似比 1∶ 2的水模型系统，通过水模型的方法研究了稳流器、 挡墙和挡坝对 40 t 单流中间包流场特征的影响规律， 在此基础上提出了优化方案，并通过现场工业实验进 行了验证，取得了很好的应用效果． 1 实验 1. 1 实验原理 在连铸浇钢过程中，钢液在重力作用下从大包水 口流入中间包，然后从中间包水口流出． 中间包的水 模型系统需要保证现象和规律的相似性，因此必须满 足模型与原型之间的几何和动力学相似． 本研究以某 钢厂 40 t 单流中间包为原型建立了几何相似比 1∶ 2的 水模型系统，通过计算发现原型和模型的 Ｒe 数分别 为 5. 4 × 104 和 3. 5 × 105 ，均大于第二临界值，流体流 动处于自模化状态． 因此只需保证原型和模型的 Fr 数相等就可以保证原型与模型流动过程的动力学相 似［15］，就可以得到实验过程模型与原型的流量之间 的关系: QM = λ2. 5QP ． ( 1) 式中: QM和 QP分别为模型和原型的流量，L·min － 1 ; λ 为相似比，此处相似比为 0. 5． 通过水模型系统研究中 间包内部不同控流装置对流场指标的影响规律，为实 际生产应用提供指导． 针对某钢厂应用的 40 t 单流中间包，分别进行了 优化前后的对比分析． 选择相同钢种，分别在中间包 取提桶样、铸坯低倍样来分析大型夹杂物含量、T． O 和 N 的变化． 1. 2 实验方案 A 厂 40 t 中间包原型目前的控流装置主要为湍流 抑制器与下挡墙的组合，但是下挡墙距离湍流抑制器 冲击区较远并接近塞棒位置，实际没有起到对钢液有 效地提升的作用，因此下挡墙的位置需要进一步优化． 为了研究控流装置对流动的影响程度，分别针对无控 流装置中间包( 无挡墙设置) 、原型( 湍流抑制器 + 下 挡墙) 、多挡墙( 湍流抑制器 + 上挡墙 + 下挡墙) 三种 方案进行了水模型实验，如表 1 所示． 然后进一步在 原型方案的基础上进行不同下挡墙和长水口距离条件 下的水模型实验，并据此得到了合理的下挡墙布置位 置，如表 2． 表 1 中间包不同控流装置配置的实验方案 Table 1 Experimental conditions for different configurations of flow control devices 方案 控流装置配置 评价指标 A 湍流抑制器单独控流 B 原型( 湍流抑制器 + 下挡墙控流) 滞止时间、平均停留时间、死区比例 C 多挡墙( 湍流抑制器 + 上挡墙 + 下挡墙组合控流) 表 2 下挡墙优化实验方案 Table 2 Experimental scheme for the optimization of dams in the tundish 方案 下挡墙高/mm 下挡墙与长水口距离/mm B 480 2 680 B1 400 1 280 B2 400 1 680 B3 400 2 080 B4 400 2 280 B5 400 2 480 B6 400 2 680 B7 400 2 780 2 结果与讨论 2. 1 原型中间包流场指标分析 不同控流装置配置的实验结果如表 3 所示． 由表 3 可知，在无挡墙条件下，滞止时间只有 28. 3 s，说明有 钢液流股下冲后沿着包底直接从水口流出形成短路 流，而且平均停留时间仅有 207. 2 s，远小于理论停留 时间 644. 8 s，死区比例较大． 在中间包内增加了下挡 墙后可以明显延长滞止时间和峰值时间，平均停留时 间由原来的 207. 2 s 提高到 477. 4 s，有较明显的改善． 对比 C 方案数据可知，在中间包内存在下挡墙的情况 下再增加上挡墙对于流场指标的改善没有明显作用， · 473 ·