华承健等：浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响 931· (a) 0.4 (b) 0.4 0.3 0.2 0.1. 0. 02 0.2 0.2 -0.4 -0.4 0 05 u'/(m's) u'/(m's (c) 0.4 (d) Sweep events Ej 30 03 27.4 25.83 25.34 23.88 21.47 0.1 20 02 -01 02 -03 -0.4 u/m's) Smooth wall Porous Clog wall refractory wall SEN surface morphologies 图6不同壁面状态下，在距离壁面0.5mm处.1s时间内的边界层流场法向和流向脉动速度象限统计.()光滑壁面：(b)多孔材料壁面：(c)结瘤 壁面：(d)下扫事件与上抛事件概率统计 Fig.6 a and distribution at a distance of 0.5 mm to the boundary during one second in the different wall morphologies:(a)the smooth wall;(b)the porous wall;(c)the refractory wall;(d)the probability statistic of the sweep and ejection events 2.3氧化铝夹杂物在边界层流场内运动机理 面状态发生近光滑壁面一多孔耐火材料壁面一结 如图10所示，三种壁面条件下的边界层内氧 瘤壁面转变时，下扫事件发生的概率由25.83%增 化铝夹杂物运动有两种形式.一种是边界层流场 加至28.24%.从图10(a)中可以看出，在近光滑壁 发生上抛事件时，位于上抛事件流场内的氧化铝 面状态下，上抛事件面积比例更大，位于上抛事件 夹杂物将远离壁面运动.第二种是边界层流场发 中的氧化铝夹杂物远离壁面运动.图10(b)表明， 生下扫事件时，位于下扫事件流场内的氧化铝夹 壁面状态为多孔耐火材料壁面和结瘤壁面时的下 杂物将朝向壁面方向运动.相关研究表明，流过沉 扫事件面积比例大于上抛事件面积比例，相同运 积在壁面上的氧化铝夹杂物中心的流速小于0.5ms1 动时间内，下扫事件中夹杂物在法向运动距离更 时，沉积在壁面上的氧化铝夹杂物不会剥落本 大，下扫事件的发生频率比光滑壁面大.因此，多 研究中三种壁面状态下其壁面附近的流速均小于 孔耐火材料壁面和结瘤壁面将增加氧化铝夹杂物 0.5ms.因此，位于下扫事件内的氧化铝夹杂物 朝向壁面运动的几率，加速结瘤物形成. 朝向壁面运动时，在接触到壁面后会沉积在壁面 3结论 上，多孔耐火材料壁面和结瘤壁面壁面附近法向 湍流输运更强，上抛和下扫事件中的法向脉动速 (1)根据不同实际浇注时间下的水口解剖结 度更大.因此，相同运动步长下，多孔耐火材料壁 果，浸入式水口内壁面形貌变化为：近光滑壁面一 面和结瘤物壁面附近氧化铝夹杂物在法向运动幅 多孔耐火材料壁面一结瘤壁面.通过建立1：1水 度更大，位于流场下扫事件中的氧化铝夹杂物更 力学模型，并在水力学模型内镶嵌多孔耐火材料 容易沉积在壁面.同时，图7结果表明，与近光滑 和结瘤物方式来模拟浇注过程浸人式水口内壁形 壁面相比，多孔耐火材料壁面和结瘤壁面下扫事 貌变化，利用PIV技术表征了三种内壁形貌下的 件的平面分布比例由10.17%增加到29.62%和 边界层流场结构 39.77%,多孔耐火材料壁面和结瘤壁面上抛事件 (2)壁面状态的变化导致流场边界层厚度由 的平面占比由32.96%减小至5.09%和9.24%.壁 3.93mm减小到1.77mm,壁面附近剪切力增强，距2.3    氧化铝夹杂物在边界层流场内运动机理 如图 10 所示，三种壁面条件下的边界层内氧 化铝夹杂物运动有两种形式. 一种是边界层流场 发生上抛事件时，位于上抛事件流场内的氧化铝 夹杂物将远离壁面运动. 第二种是边界层流场发 生下扫事件时，位于下扫事件流场内的氧化铝夹 杂物将朝向壁面方向运动. 相关研究表明，流过沉 积在壁面上的氧化铝夹杂物中心的流速小于 0.5 m·s−1 时，沉积在壁面上的氧化铝夹杂物不会剥落[25] . 本 研究中三种壁面状态下其壁面附近的流速均小于 0.5 m·s−1 . 因此，位于下扫事件内的氧化铝夹杂物 朝向壁面运动时，在接触到壁面后会沉积在壁面 上. 多孔耐火材料壁面和结瘤壁面壁面附近法向 湍流输运更强，上抛和下扫事件中的法向脉动速 度更大. 因此，相同运动步长下，多孔耐火材料壁 面和结瘤物壁面附近氧化铝夹杂物在法向运动幅 度更大，位于流场下扫事件中的氧化铝夹杂物更 容易沉积在壁面. 同时，图 7 结果表明，与近光滑 壁面相比，多孔耐火材料壁面和结瘤壁面下扫事 件的平面分布比例 由 10.17% 增 加 到 29.62% 和 39.77%，多孔耐火材料壁面和结瘤壁面上抛事件 的平面占比由 32.96% 减小至 5.09% 和 9.24%. 壁 面状态发生近光滑壁面—多孔耐火材料壁面—结 瘤壁面转变时，下扫事件发生的概率由 25.83% 增 加至 28.24%. 从图 10（a）中可以看出，在近光滑壁 面状态下，上抛事件面积比例更大，位于上抛事件 中的氧化铝夹杂物远离壁面运动. 图 10（b）表明， 壁面状态为多孔耐火材料壁面和结瘤壁面时的下 扫事件面积比例大于上抛事件面积比例，相同运 动时间内，下扫事件中夹杂物在法向运动距离更 大，下扫事件的发生频率比光滑壁面大. 因此，多 孔耐火材料壁面和结瘤壁面将增加氧化铝夹杂物 朝向壁面运动的几率，加速结瘤物形成. 3    结论 （1）根据不同实际浇注时间下的水口解剖结 果，浸入式水口内壁面形貌变化为：近光滑壁面— 多孔耐火材料壁面—结瘤壁面. 通过建立 1∶1 水 力学模型，并在水力学模型内镶嵌多孔耐火材料 和结瘤物方式来模拟浇注过程浸入式水口内壁形 貌变化，利用 PIV 技术表征了三种内壁形貌下的 边界层流场结构. （2）壁面状态的变化导致流场边界层厚度由 3.93 mm 减小到 1.77 mm，壁面附近剪切力增强，距 (d) 25.83 27.4 28.24 23.88 21.47 25.34 Smooth wall Porous refractory wall Clog wall 0 5 10 15 20 25 30 35 Probability/ % SEN surface morphologies Sweep events Ejection events (b) (c) −0.2 −0.1 0 0.1 0.2 −0.5 −0.4 −0.3 −0.2 −0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 u′/(m·s−1) v′/(m·s−1 ) −0.2 −0.1 0 0.1 0.2 −0.5 −0.4 −0.3 −0.2 −0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 u′/(m·s−1) v′/(m·s−1 ) −0.2 −0.1 0 0.1 0.2 −0.5 −0.4 −0.3 −0.2 −0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 u′/(m·s−1) v′/(m·s−1 ) (a) 图 6    不同壁面状态下，在距离壁面 0.5 mm 处，1 s 时间内的边界层流场法向和流向脉动速度象限统计. （a）光滑壁面；（b）多孔材料壁面；（c）结瘤 壁面；（d）下扫事件与上抛事件概率统计 Fig.6    u' and v' distribution at a distance of 0.5 mm to the boundary during one second in the different wall morphologies: (a) the smooth wall; (b) the porous wall; (c) the refractory wall; (d) the probability statistic of the sweep and ejection events 华承健等： 浸入式水口内壁特征对边界层流场结构和氧化铝夹杂物运动行为的影响 · 931 ·