80 工程科学学报.第42卷，增刊1 为分析不同集束氧枪结构对伴随流速度的影 小略有区别.其中传统超音速氧枪的氧浓度核心 响，在数值模拟模型中选取一个垂直于射流流动 段长度小于其速度核心段长度：集束氧枪氧浓度 方向的同心圆环进行数据分析.该同心圆环位于 核心段长度则大于或等于速度核心段长度.约束 射流出口外100mm,其最大及最小半径分别为57mm 式集束氧枪平均氧浓度核心段长度分别为传统超 和42mm.同心圆环截面处集束射流平均速度及 音速氧枪及传统集束氧枪的2.5倍及1.3倍.因 平均温度统计如表3所示.研究结果表明，不同环 此，约束式集束氧枪可有效抑制射流氧气在径向 境温度下，圆环截面的平均温度均明显大于主氧射 的扩散，且收束式约束集束氧枪在提高氧气利用 流入射温度(298K).因此，该圆环截面所通过气 率方面效果最优 体为高温伴随流.相较于传统集束氧枪，约束式集 3.3集束射流动压分布规律 束氧枪可明显提高伴随流在近氧枪出口端的速度 集束氧枪动压分布模式在一定程度上决定了 及温度，且收束式约束集束氧枪提高效果最明显 熔池表面冲击凹坑的形貌特点，因此本研究分析 3.2集束射流氧气浓度分布规律 了特定位置下不同集束氧枪结构对射流径向动压 如图4所示，当氧气通过拉瓦尔管后，由于主 分布模式的影响规律.考虑到本研究所用氧枪的 氧射流与高温伴随流或外界环境存在氧气浓度梯 氧气设计流量及工业应用特点，选取集束氧枪枪 度，主氧外围氧气浓度率先下降，且氧气浓度下降 位为X=30D。处的动压分布情况作为主要研究对 趋势逐步蔓延到主氧射流中心位置.待射流通过 象，模拟结果如图5所示. 氧气浓度核心段后，轴线氧气浓度逐步下降，并逐 模拟结果表明，在室温条件下，传统超音速氧 步趋近与大气环境下氧浓度相同. 枪、传统集束氧枪、直管式约束集束氧枪和收束 模拟结果表明，在室温条件下，传统集束氧 式约束集束氧枪射流最大动压分别为2.2×10， 枪、直管式约束集束氧枪和收束式约束集束氧枪 11.4×10,21.4×10和25.0×104Pa:高温条件下，传 射流氧浓度核心段长度分别为22De,28D。和32De; 统超音速氧枪、传统集束氧枪、直管式约束集束 在高温环境下传统集束氧枪、直管式约束集束氧 氧枪和收束式约束集束氧枪射流最大动压分别为 枪和收束式约束集束氧枪射流氧浓度核心段长度 2.5×104Pa,22.7×10Pa,21.3×10和25.1×104Pa.高 分别为26De,29D。和33D。.同时，传统超音速氧枪 温条件下传统超音速氧枪、传统集束氧枪、直管 在室温和高温时，其氧浓度核心段长度分别为10D。 式约束集束氧枪及收束式约束集束氧枪射流最大 和14D。.结果表明，速度核心段与氧浓度核心段大 动压分别为其在常温条件下的1.14倍、1.99倍、 表3同心圆环截面处集束射流平均速度及平均温度统计 Table 3 Average static temperature and axial velocity for various coherent lances 298K 1700K Lance Average temperature/K Average axial velocity/(m's) Average temperature/K Average axial velocity/(m's) Conventional coherent lance 953 61 1355 90 Open restricted coherent lance 1531 102 1501 160 Flap restricted coherent lance 1980 212 1723 288 -Flp coherert lance -Flap coherent lance (a) 1.0 Open coherent lance (b) 1.0h -Open coherent lance 06 g047=298K T=1700K 0.2L 0.2L 0 20 40 60 80 0 20 40 60 XiD X/D. 图4不同环境温度下，主氧射流轴线氧气含量分布模式.()298K:(b)1700K Fig.4 Oxygen mass fraction of main oxygen jet at centerline at different ambient temperatures:(a)298 K;(b)1700 K为分析不同集束氧枪结构对伴随流速度的影 响，在数值模拟模型中选取一个垂直于射流流动 方向的同心圆环进行数据分析. 该同心圆环位于 射流出口外 100 mm，其最大及最小半径分别为 57 mm 和 42 mm. 同心圆环截面处集束射流平均速度及 平均温度统计如表 3 所示. 研究结果表明，不同环 境温度下，圆环截面的平均温度均明显大于主氧射 流入射温度（298 K）. 因此，该圆环截面所通过气 体为高温伴随流. 相较于传统集束氧枪，约束式集 束氧枪可明显提高伴随流在近氧枪出口端的速度 及温度，且收束式约束集束氧枪提高效果最明显. 3.2    集束射流氧气浓度分布规律 如图 4 所示，当氧气通过拉瓦尔管后，由于主 氧射流与高温伴随流或外界环境存在氧气浓度梯 度，主氧外围氧气浓度率先下降，且氧气浓度下降 趋势逐步蔓延到主氧射流中心位置. 待射流通过 氧气浓度核心段后，轴线氧气浓度逐步下降，并逐 步趋近与大气环境下氧浓度相同. 模拟结果表明，在室温条件下，传统集束氧 枪、直管式约束集束氧枪和收束式约束集束氧枪 射流氧浓度核心段长度分别为 22De，28De 和 32De； 在高温环境下传统集束氧枪、直管式约束集束氧 枪和收束式约束集束氧枪射流氧浓度核心段长度 分别为 26De，29De 和 33De . 同时，传统超音速氧枪 在室温和高温时，其氧浓度核心段长度分别为 10De 和 14De . 结果表明，速度核心段与氧浓度核心段大 小略有区别. 其中传统超音速氧枪的氧浓度核心 段长度小于其速度核心段长度；集束氧枪氧浓度 核心段长度则大于或等于速度核心段长度. 约束 式集束氧枪平均氧浓度核心段长度分别为传统超 音速氧枪及传统集束氧枪的 2.5 倍及 1.3 倍. 因 此，约束式集束氧枪可有效抑制射流氧气在径向 的扩散，且收束式约束集束氧枪在提高氧气利用 率方面效果最优. 3.3    集束射流动压分布规律 集束氧枪动压分布模式在一定程度上决定了 熔池表面冲击凹坑的形貌特点，因此本研究分析 了特定位置下不同集束氧枪结构对射流径向动压 分布模式的影响规律. 考虑到本研究所用氧枪的 氧气设计流量及工业应用特点，选取集束氧枪枪 位为 X = 30De 处的动压分布情况作为主要研究对 象，模拟结果如图 5 所示. 模拟结果表明，在室温条件下，传统超音速氧 枪、传统集束氧枪、直管式约束集束氧枪和收束 式约束集束氧枪射流最大动压分别 为 2.2×104 ， 11.4×104 ，21.4×104 和 25.0×104 Pa；高温条件下，传 统超音速氧枪、传统集束氧枪、直管式约束集束 氧枪和收束式约束集束氧枪射流最大动压分别为 2.5×104 Pa，22.7×104 Pa，21.3×104 和 25.1×104 Pa. 高 温条件下传统超音速氧枪、传统集束氧枪、直管 式约束集束氧枪及收束式约束集束氧枪射流最大 动压分别为其在常温条件下的 1.14 倍 、1.99 倍 、 表 3 同心圆环截面处集束射流平均速度及平均温度统计 Table 3 Average static temperature and axial velocity for various coherent lances Lance 298 K 1700 K Average temperature/K Average axial velocity/(m·s−1) Average temperature/K Average axial velocity/(m·s−1) Conventional coherent lance 953 61 1355 90 Open restricted coherent lance 1531 102 1501 160 Flap restricted coherent lance 1980 212 1723 288 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 T=298 K Oxygen mass fraction/ % Oxygen mass fraction/ % (a) Flap coherent lance Open coherent lance Conventional coherent lance Conventional lance Flap coherent lance Open coherent lance Conventional coherent lance Conventional lance T=1700 K (b) 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 图 4    不同环境温度下，主氧射流轴线氧气含量分布模式. （a）298 K；（b）1700 K Fig.4    Oxygen mass fraction of main oxygen jet at centerline at different ambient temperatures: (a) 298 K; (b) 1700 K · 80 · 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1