米沙等：空气外掠钢渣颗粒准则关系式及其影响因素 ·1243· 粒比表面积来增强其换热效果，以达到急冷及余热回 与空气形成对流换热，表面温度逐渐降低，而Nu数的 收的目的，实现瞬间粒化.因而气淬粒化后单个钢渣 计算需要知道稳定的渣粒表面温度，因此实验时对钢 颗粒传热凝固过程的研究成为关键. 渣加热到稳定温度423K.将钢球穿过电阻丝悬挂于 Purwanto等可模拟离心粒化条件下熔渣颗粒的传 黏土砖搭建的方形盒内，盒内外壁面以玻璃纤维棉确 热特性，指出渣粒直径越小表面及中心温差越小.Guo 保隔热效果，实现整个系统内部的能量守恒.实验过 和Yang对熔渣余热回收系统进行数值模拟，得到熔 程中对进出口空气温度和空气流速的测量采用热线风 渣在系统中的温度场和速度场.卢宏伟等切采用数值 速仪：用红外测温仪测量钢球表面温度 模拟方法确定渣滴凝固过程分为液相冷却、潜热释放 电阻丝 和固相冷却三个阶段.邢宏伟等网对不同粒径渣粒凝 绝热修而 固过程进行数值模拟，确定熔渣完全凝固所用时间 进「 出口一 文献中钢渣颗粒与气体换热多侧重于温度分布的数值 模拟研究，而具有普遍适用和推广价值的量纲一的准 钢球 则数的研究较少：气淬粒化钢渣属于气粒两相流，单个 渣粒凝固受诸多因素的影响，有效控制各因素对实现 图1空气外掠钢渣实验装置截面示意图 瞬间粒化至关重要. Fig.I Sketch map of the experimental apparatus 本文通过空气外掠高温液态钢渣颗粒实验，拟合 实验结果采用Matlab软件进行一元非线性拟合， 平均努塞尔数的实验关联式，将此关联式推广到实物： 寻求平均Nu数和Re之间的关联式.经多次最小二乘 建立空冷钢渣颗粒三维模型进行数值计算，结合一元 法回归分析后自定义非线性回归模型如下： 非线性拟合法归纳颗粒在不同雷诺数下平均Nu数关 z=f(x,y）=ax+c. (4) 联式，分析不同粒径及空气流速下平均W数变的化 进行多次回归分析，通过实验数据拟合得到了空 规律，并与实验关联式比对：进一步研究导热系数、空 气外掠固态钢渣颗粒Nu数实验关联式如式(5)所示. 气流度、渣粒直径以及空气温度对渣粒凝固时间的 此拟合关联式可决系数达到了2=0.921，此公式拟合 影响. 度较好 1液态渣粒准则数与实验分析 Nu =0.319Re.607 (5) 1.1量纲一的准则数 2空气绕流高温钢渣颗粒模型 努塞尔数反映了量纲一的形式的表面换热系数： 2.1物理模型 Nu=h'd./入g' (1) 采用ANSYS ICEM CFD前处理软件建立三维物理 a=cm(T2 -T)/A(T.-T). (2) 模型，图2给出空冷高温渣粒三维模型，整个模型划采 式中，h为熔渣平均表面换热系数，Wm2·K;d,为 用六面体结构化网格.钢渣外部为气相域，内部为液 熔渣直径，mA,为来流空气导热系数，WmKc, 相域，分别对气相域和液相域建立网格.为了更好地 为空气定压比热容，kkg·K:m为空气流量，kg· 给出气相域与液相域交界处的耦合边界条件，采用双 s:T,和T分别为进口和出口空气平均温度，K;A为 曲正交函数对控制方程离散，网格划分为正交性.对 熔渣表面积，m:T和T,分别为熔渣表面和来流空气 网格进行无关性验证，气相域网格数为145000，液相 温度，K 域网格数为45000时，量纲一的Nu数的变化基本 熔渣受到黏性力和惯性力的作用，雷诺数是表征 稳定 这两个力比值的量纲一的参数： 气相域计算中进口边界条件为速度入口，出口为 Re=pug-.dμg (3) 压力出口，气相与液相的界面为无滑移壁面.由气相 式中p为空气相密度，kgm3:“。,为来流空气和渣 的边界条件来求得气相流场速度、温度等，将由气相所 粒的相对速度，m·s:4为空气动力学黏性系数， 求得的气液界面间的值带入液相，作为液相的边界条 m2.s-1 件，由液相的边界条件来求得液相的流场速度、温度 1.2实验过程 液相域计算时壁面边界条件采用第三类边界条件，明 图1为空气绕流高温钢渣装置截面示意图.40 确边界上的表面平均换热系数及周围环境温度条件。 mm钢渣穿过一根直径约为2mm的电阻丝(1000W, 2.2数学模型 220V),由于实际的渣粒熔融状态和空气换热是一个2.2.1气相区域数学模型 相变过程，渣粒内部温度在不断的发生变化，渣粒表面 空气绕流钢渣颗粒时，采用的湍流模型为Ment-米 沙等: 空气外掠钢渣颗粒准则关系式及其影响因素 粒比表面积来增强其换热效果，以达到急冷及余热回 收的目的，实现瞬间粒化． 因而气淬粒化后单个钢渣 颗粒传热凝固过程的研究成为关键． Purwanto 等［5］模拟离心粒化条件下熔渣颗粒的传 热特性，指出渣粒直径越小表面及中心温差越小． Guo 和 Yang ［6］对熔渣余热回收系统进行数值模拟，得到熔 渣在系统中的温度场和速度场． 卢宏伟等［7］采用数值 模拟方法确定渣滴凝固过程分为液相冷却、潜热释放 和固相冷却三个阶段． 邢宏伟等［8］对不同粒径渣粒凝 固过程进行数值模拟，确定熔渣完全凝固所用时间． 文献中钢渣颗粒与气体换热多侧重于温度分布的数值 模拟研究，而具有普遍适用和推广价值的量纲一的准 则数的研究较少; 气淬粒化钢渣属于气粒两相流，单个 渣粒凝固受诸多因素的影响，有效控制各因素对实现 瞬间粒化至关重要． 本文通过空气外掠高温液态钢渣颗粒实验，拟合 平均努塞尔数的实验关联式，将此关联式推广到实物; 建立空冷钢渣颗粒三维模型进行数值计算，结合一元 非线性拟合法归纳颗粒在不同雷诺数下平均 Nu 数关 联式，分析不同粒径及空气流速下平均 Nu 数变的化 规律，并与实验关联式比对; 进一步研究导热系数、空 气流度、渣粒直径以及空气温度对渣粒凝固时间的 影响． 1 液态渣粒准则数与实验分析 1. 1 量纲一的准则数 努塞尔数反映了量纲一的形式的表面换热系数: Nu = h'dp /λg， ( 1) α = cpm( T2 － T1 ) /A( Tw － Tf ) ． ( 2) 式中，h'为熔渣平均表面换热系数，W·m － 2 ·K － 1 ; dp为 熔渣直径，m; λg为来流空气导热系数，W·m － 1 ·K － 1 ; cp 为空气定压比热容，kJ·kg － 1 ·K － 1 ; m 为空气流量，kg· s － 1 ; T1和 T2分别为进口和出口空气平均温度，K; A 为 熔渣表面积，m2 ; Tw和 Tf分别为熔渣表面和来流空气 温度，K． 熔渣受到黏性力和惯性力的作用，雷诺数是表征 这两个力比值的量纲一的参数: Ｒe = ρgug － sdp /μg ． ( 3) 式中: ρg为空气相密度，kg·m － 3 ; ug － s为来流空气和渣 粒的相对 速 度，m·s － 1 ; μg 为空气动力学黏性系数， m2 ·s － 1 ． 1. 2 实验过程 图 1 为空气绕流高温钢渣装置截面示意图． 40 mm 钢渣穿过一根直径约为 2 mm 的电阻丝( 1000 W， 220 V) ，由于实际的渣粒熔融状态和空气换热是一个 相变过程，渣粒内部温度在不断的发生变化，渣粒表面 与空气形成对流换热，表面温度逐渐降低，而 Nu 数的 计算需要知道稳定的渣粒表面温度，因此实验时对钢 渣加热到稳定温度 423 K． 将钢球穿过电阻丝悬挂于 黏土砖搭建的方形盒内，盒内外壁面以玻璃纤维棉确 保隔热效果，实现整个系统内部的能量守恒． 实验过 程中对进出口空气温度和空气流速的测量采用热线风 速仪; 用红外测温仪测量钢球表面温度． 图 1 空气外掠钢渣实验装置截面示意图 Fig． 1 Sketch map of the experimental apparatus 实验结果采用 Matlab 软件进行一元非线性拟合， 寻求平均 Nu 数和 Ｒe 之间的关联式． 经多次最小二乘 法回归分析后自定义非线性回归模型如下: z = f( x，y) = ax + c． ( 4) 进行多次回归分析，通过实验数据拟合得到了空 气外掠固态钢渣颗粒 Nu 数实验关联式如式( 5) 所示． 此拟合关联式可决系数达到了 r 2 = 0. 921，此公式拟合 度较好． Nu = 0. 319Ｒe 0. 607 ． ( 5) 2 空气绕流高温钢渣颗粒模型 2. 1 物理模型 采用 ANSYS ICEM CFD 前处理软件建立三维物理 模型，图 2 给出空冷高温渣粒三维模型，整个模型划采 用六面体结构化网格． 钢渣外部为气相域，内部为液 相域，分别对气相域和液相域建立网格． 为了更好地 给出气相域与液相域交界处的耦合边界条件，采用双 曲正交函数对控制方程离散，网格划分为正交性． 对 网格进行无关性验证，气相域网格数为 145000，液相 域网格数 为 45000 时，量 纲 一 的 Nu 数 的 变 化 基 本 稳定． 气相域计算中进口边界条件为速度入口，出口为 压力出口，气相与液相的界面为无滑移壁面． 由气相 的边界条件来求得气相流场速度、温度等，将由气相所 求得的气液界面间的值带入液相，作为液相的边界条 件，由液相的边界条件来求得液相的流场速度、温度． 液相域计算时壁面边界条件采用第三类边界条件，明 确边界上的表面平均换热系数及周围环境温度条件． 2. 2 数学模型 2. 2. 1 气相区域数学模型 空气绕流钢渣颗粒时，采用的湍流模型为 Ment- ·1243·