工程科学学报.第42卷.增刊1：54-59.2020年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,Suppl.1:54-59,December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.15.s15;http://cje.ustb.edu.cn 拉瓦尔喷管结构模式对超音速射流流动特性的影响 刘福海2)四，朱荣2，》，董凯》，魏光升》，李易霖) 1)北京科技大学国家材料服役安全科学中心.北京1000832)北京科技大学流体与材料相互作用教育部重点实验室，北京1000833)北 京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:liufuhaisteel(@126.com 摘要首先对喷管内流动特性进行了研究，结果表明传统拉瓦尔喷管在喷管内部易形成大量明显的波系结构，抑制了超音 速氧气射流的初始冲击效果而利用特征线设计的曲线拉瓦尔喷管可有效解决该问题.其次，分析了不同供氧流量下，传统 拉瓦尔喷管及曲线拉瓦尔喷管在高温条件下的射流马赫数分布、动压及射流卷吸特性.研究结果表明基于特征线法设计的 曲线拉瓦尔喷管应用于转炉氧枪喷头时，可延长氧气射流核心段长度，增大氧气射流对熔池的搅拌能力，并提高氧气在熔池 内的传质效果. 关键词超音速射流：拉瓦尔管：激波：数值模拟 分类号TG142.71 Effect of Laval nozzle structure on behaviors of supersonic oxygen jet flow field LIU Fu-hai,ZHU Rong,DONG Kai,WEI Guang-sheng.LI Yi-lin 1)National Center for Materials Service Safety,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Key Laboratory of Fluid Interaction with Material,Ministry of Education,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:liufuhaisteel@126.com ABSTRACT The blowing of oxygen at supersonic velocity through nozzles is a fundamental method and key technology for basic oxygen furnace process used in the steelmaking process.During the process,the high-speed oxygen jets penetrate the liquid slag leading to the formation of the impaction cavity on the surface of the molten bath.Further,the dynamic energy and mass transfer would occur at the three-phase(oxygen-liquid slag-molten steel)region.As a result,the impurity elements are removed,the temperature of molten bath is controlled,and the solid slag is melted faster.Moreover,many complex wave structures are formed in the traditional Laval nozzle depending on its gas flow field,resulting in suppression of the initial stirring ability of the oxygen jet.However,the new Laval nozzle designed by the characteristic-line method can solve this problem.Additionally,Mach number,dynamic pressure,and entrainment phenomenon of both traditional and new Laval nozzle structures were tested using various oxygen flow rates at the high-temperature ambition environment.The results prove that the new Laval nozzle structure prolongs the velocity core length of oxygen jet,increases the molten bath stirring effect,and improves the mass transfer process. KEY WORDS supersonic jet;Laval nozzle;shock wave;numerical simulation 氧气作为粗钢治炼过程中高效的元素氧化与炼过程中得到充分的应用习为进一步提高氧气 熔池搅拌介质，已在转炉、电炉及部分精炼炉的吹 利用效果，国内外治金工作者采用超音速拉瓦尔 收稿日期：2020-03-15 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51804028)：中央高校基本科研业务资助项目(FRF-TP.17-007A1)拉瓦尔喷管结构模式对超音速射流流动特性的影响 刘福海1,2) 苣，朱    荣2,3)，董    凯3)，魏光升3)，李易霖3) 1) 北京科技大学国家材料服役安全科学中心，北京 100083    2) 北京科技大学流体与材料相互作用教育部重点实验室，北京 100083    3) 北 京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 苣通信作者，E-mail：liufuhaisteel@126.com 摘    要    首先对喷管内流动特性进行了研究，结果表明传统拉瓦尔喷管在喷管内部易形成大量明显的波系结构，抑制了超音 速氧气射流的初始冲击效果，而利用特征线设计的曲线拉瓦尔喷管可有效解决该问题. 其次，分析了不同供氧流量下，传统 拉瓦尔喷管及曲线拉瓦尔喷管在高温条件下的射流马赫数分布、动压及射流卷吸特性. 研究结果表明基于特征线法设计的 曲线拉瓦尔喷管应用于转炉氧枪喷头时，可延长氧气射流核心段长度，增大氧气射流对熔池的搅拌能力，并提高氧气在熔池 内的传质效果. 关键词    超音速射流；拉瓦尔管；激波；数值模拟 分类号    TG142.71 Effect of Laval nozzle structure on behaviors of supersonic oxygen jet flow field LIU Fu-hai1,2) 苣 ，ZHU Rong2,3) ，DONG Kai3) ，WEI Guang-sheng3) ，LI Yi-lin3) 1) National Center for Materials Service Safety, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Key Laboratory of Fluid Interaction with Material, Ministry of Education, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: liufuhaisteel@126.com ABSTRACT    The blowing of oxygen at supersonic velocity through nozzles is a fundamental method and key technology for basic oxygen furnace process used in the steelmaking process. During the process, the high-speed oxygen jets penetrate the liquid slag leading to the formation of the impaction cavity on the surface of the molten bath. Further, the dynamic energy and mass transfer would occur at the three-phase (oxygen–liquid slag–molten steel) region. As a result, the impurity elements are removed, the temperature of molten bath is controlled, and the solid slag is melted faster. Moreover, many complex wave structures are formed in the traditional Laval nozzle depending on its gas flow field, resulting in suppression of the initial stirring ability of the oxygen jet. However, the new Laval nozzle designed  by  the  characteristic-line  method  can  solve  this  problem.  Additionally,  Mach  number,  dynamic  pressure,  and  entrainment phenomenon of both traditional and new Laval nozzle structures were tested using various oxygen flow rates at the high-temperature ambition environment. The results prove that the new Laval nozzle structure prolongs the velocity core length of oxygen jet, increases the molten bath stirring effect, and improves the mass transfer process. KEY WORDS    supersonic jet；Laval nozzle；shock wave；numerical simulation 氧气作为粗钢冶炼过程中高效的元素氧化与 熔池搅拌介质，已在转炉、电炉及部分精炼炉的吹 炼过程中得到充分的应用[1–2] . 为进一步提高氧气 利用效果，国内外冶金工作者采用超音速拉瓦尔 收稿日期: 2020−03−15 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51804028）；中央高校基本科研业务资助项目（FRF-TP-17-007A1） 工程科学学报，第 42 卷，增刊 1：54−59，2020 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, Suppl. 1: 54−59, December 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.15.s15; http://cje.ustb.edu.cn