,1534 北京科技大学学报 第31卷 区域聚集，受到挤压，密度较小的气相分子则反方向 向桶中心运动和富集.因此，适当调整铝液涡旋场 氢气人口 的速度分布是改善精炼气体在反应器中的分布状况 铅液人口 的关键 4.2铝液入射角对气体分布的影响 熔体中气泡运动轨迹是沿着铝液速度场中流线 方向的，流场中流线的疏密程度与气泡的聚集和分 散是一致的.因此铝液流场的形态直接影响和反映 气泡的分布状态，而流场的形成是诸多工艺因素共 图4数值模拟计算网格 同作用的结果，其中较为直观和便于现场操作变换 Fig.4 Mesh structure of numerical calculation 的因素是反应器铝液的入射角，因此选取了三种反 应器铝液入射角B=30°、45°和60°进行流场数值模 (a) h 拟，并就模拟结果进行分析 空气体积分数 r1.00 如图6所示，图中连续线段为铝液的流线，速度 075 梯度决定了流线的疏密程度，并反映了液体流速场 0.50 的变化，反应器径向截面云图反映了平面内气泡体 026 积含量的变化（深色代表体积含量多，气泡集聚） 从图中可见，改变入射角工况条件后，反应器内流场 101870374 .561m r.x 形态发生了较大的变化，气泡在铝液熔体中的分布 随之也发生了变化，例如，在入射角为30°时模拟计 图5模拟结果(a)与水模型实验结果(b)比较 算结果图中箭头所指区域，轴向的涡旋造成了气泡 Fig.5 Comparison of numerical simulation (a)with water model 的局部聚集，增加了单位体积熔体内的除氢气泡的 test results (b) 体积含量，导致气泡分布的不均匀，不利于保持和提 高整个熔体除氢效率；相比流场内的涡流区域，在铝 况条件下反应器内气体分布状况并不理想，精炼气 液流动速度梯度变化减小区域，见入射角为60°时 体在中心轴线区域聚集，整体分布趋势不均匀，增加 模拟结果图中箭头所指，轴向流线分布均匀时，横截 了气泡合并的概率，降低了气体的比表面积，从而减 面内气泡的均匀性改善了许多：而反应器径向湍动 少了气泡与铝液的接触面积，不利于除氢动力学条 能的增加会造成横截面内气泡向内壁面方向集聚， 件，因此影响了除氢效率.文献[2]中讨论了在反应 见入射角为45°时模拟结果图中箭头所指区域，以 器中心轴线加装倒T形的扰流装置改变气相在轴 上熔体流场形态对气泡分布的影响分析表明，要形 线的集聚，应用后起到了一定的有益效果， 成空间均匀的气泡分布场，应该增加反应器轴向的 形成精炼气体在中心集聚的原因是，连续 铝液流动均匀性，减少局部涡旋的形成并减弱径向 相一铝液在反应器内产生涡旋速度场在离心力 湍动能的增加 的作用下，密度大的液相分子向涡旋场外侧，即桶壁 为了定量比较三种模拟结果间气泡分布的均匀 氧气体积分数 065 3 025 012 B30 45 (a) b 图6精炼气体在铝液中的分布状况(a)3=30°；(b)=45°：(c)B=60 Fig6 Refinery gas distribution in molten aluminum:(a)B=30°；(b)B=45°；(c)B=60°图4 数值模拟计算网格 Fig．4 Mesh structure of numerical calculation 图5 模拟结果（a）与水模型实验结果（b）比较 Fig．5 Comparison of numerical simulation （a） with water model test results （b） 况条件下反应器内气体分布状况并不理想‚精炼气 体在中心轴线区域聚集‚整体分布趋势不均匀‚增加 了气泡合并的概率‚降低了气体的比表面积‚从而减 少了气泡与铝液的接触面积‚不利于除氢动力学条 件‚因此影响了除氢效率．文献［2］中讨论了在反应 器中心轴线加装倒 T 形的扰流装置改变气相在轴 线的集聚‚应用后起到了一定的有益效果． 图6 精炼气体在铝液中的分布状况 （a） β＝30°；（b） β＝45°；（c） β＝60° Fig．6 Refinery gas distribution in molten aluminum：（a） β＝30°；（b） β＝45°；（c） β＝60° 形成精 炼 气 体 在 中 心 集 聚 的 原 因 是‚连 续 相———铝液在反应器内产生涡旋速度场．在离心力 的作用下‚密度大的液相分子向涡旋场外侧‚即桶壁 区域聚集‚受到挤压‚密度较小的气相分子则反方向 向桶中心运动和富集．因此‚适当调整铝液涡旋场 的速度分布是改善精炼气体在反应器中的分布状况 的关键． 4∙2 铝液入射角对气体分布的影响 熔体中气泡运动轨迹是沿着铝液速度场中流线 方向的‚流场中流线的疏密程度与气泡的聚集和分 散是一致的．因此铝液流场的形态直接影响和反映 气泡的分布状态‚而流场的形成是诸多工艺因素共 同作用的结果‚其中较为直观和便于现场操作变换 的因素是反应器铝液的入射角．因此选取了三种反 应器铝液入射角 β＝30°、45°和60°进行流场数值模 拟‚并就模拟结果进行分析． 如图6所示‚图中连续线段为铝液的流线‚速度 梯度决定了流线的疏密程度‚并反映了液体流速场 的变化．反应器径向截面云图反映了平面内气泡体 积含量的变化（深色代表体积含量多‚气泡集聚）． 从图中可见‚改变入射角工况条件后‚反应器内流场 形态发生了较大的变化‚气泡在铝液熔体中的分布 随之也发生了变化．例如‚在入射角为30°时模拟计 算结果图中箭头所指区域‚轴向的涡旋造成了气泡 的局部聚集‚增加了单位体积熔体内的除氢气泡的 体积含量‚导致气泡分布的不均匀‚不利于保持和提 高整个熔体除氢效率；相比流场内的涡流区域‚在铝 液流动速度梯度变化减小区域‚见入射角为60°时 模拟结果图中箭头所指‚轴向流线分布均匀时‚横截 面内气泡的均匀性改善了许多；而反应器径向湍动 能的增加会造成横截面内气泡向内壁面方向集聚‚ 见入射角为45°时模拟结果图中箭头所指区域．以 上熔体流场形态对气泡分布的影响分析表明‚要形 成空间均匀的气泡分布场‚应该增加反应器轴向的 铝液流动均匀性‚减少局部涡旋的形成并减弱径向 湍动能的增加． 为了定量比较三种模拟结果间气泡分布的均匀 ·1534· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷