。478 北京科技大学学报 第31卷 口为双侧孔，浸入深度为200mm,出口角度为向下 15°. 1研究方法 本文采用水模型和数学模型的方法对其进行物 理和数学的仿真 水模型实验基于相似原理和量纲分析下山.采 用11的模型比例，研究中保证模型和实物的F, (弗劳德数)相等，实验采用有机玻璃制作结晶器模 型和浸入式水口模型.为更进一步保证从中间包到 水口再到结晶器流体流动的相似，在模型中用有机 玻璃制作了与现场使用的滑板结构相同的滑板模型 以控制从水箱（即中间包水模型）流入结晶器水模型 的水量.为消除模型结晶器出口处水流速度等对模 图1结晶器几何模型(a)及网格划分G) Fig.I Mold geometry (a)and mesh (b) 型上部流场的影响，稳定模型内部流场，将结晶器模 型高度加长至2m.实验过程中，采用DJ800型水工 多功能监测系统进行压力和波高的测量，实验结果 分析中用到的测点处的压力等于测点处的测量压力 减去测点处水的静压力.波高为一个波的波峰与波 ▣ 口 谷的高度差.采用LS1206B型旋桨式流速计对结晶 断面宽度：1800mm×250mm0-0° 拉速：1m.minl ◆150 器水模型流体流速进行测定， 浸入深度：200mm -0-25° 数值模拟采用ANSYS CFX10.0软件进行计 100 200300400 500600 距结品器窄面距离mm 算。计算过程中作如下假设：结晶器内钢液的 流动为稳态黏性不可压缩流动：不计结晶器液面的 图2水口出口角度对波高的影响 Fig 2 Relat ionship betw een nozzle port ange and level fuctuation 波动，把液面设置为自由面：不考虑结晶器内凝固壳 的存在，计算区域的边界为达到但不包括糊状区的 0.4 位置：壁面设为无滑移边界条件：忽略结晶器振动及 断面宽度：1800mm×250mm -0-0° 元0.3 拉速：1m,min ●-15" 锥度等因素的影响.采用连续方程、Navier-Stokes 浸入深度：200mm 0-25 方程和K(湍流动能)ε（湍流动能耗散）方程联立求 02 解.模型入口定义在水口入口处，其速度根据质量 ■ 守恒定律、水口直径、拉坯速度和结晶器断面尺寸来 确定：模型出口定义在结晶器计算区域的底部，将其 100 200300400 500600 设为质量边界条件，即出口处与入口处质量守恒. 距结品器窄面距离mm 由于水口、结晶器几何模型和内部流体流动特征具 图3水口出口角度对表面流速的影响 有对称性，本研究以结晶器宽面的中心面为对称面， Fig 3 Relationship betw een nozzle port angle and surface vebcity 采用1/2结晶器模型进行计算.其几何模型和网格 面流速均减小，主要原因是，水口的射流撞击到结 划分如图1所示 晶器窄面后分成上下两个回流区，实验过程中发现 2研究结果 15°水口所对应的上回流区发展不完整，即沿着结晶 器窄面向上的流股在未到达结晶器液面前己经改变 2.1水口出口角度对波高和表面流速的影响 为流向水口的流股，所以结晶器窄面位置附近的流 水模型实验中水口出口角度对波高和表面流速 速和波动均较小.但是，15°水口向上的流股的总量 的影响见图2和图3.由图可见在距离结晶器窄面 大于25°水口，这就造成其他位置的波高和表面流 50mm的位置，向下15°水口所对应的波高和表面流 速大于25°水口的数值.虽然0°水口和15°水口均存 速小于25°水口对应的数值.在结晶器液面的其他 在上回流区发展不完整的现象，但是由于0水口向 位置，随着出口角度的增大，结晶器液面的波高和表 上的流股的总量明显大于其他角度的水口，所以距口为双侧孔 ,浸入深度为 200 mm , 出口角度为向下 15°. 1 研究方法 本文采用水模型和数学模型的方法对其进行物 理和数学的仿真 . 水模型实验基于相似原理和量纲分析[ 7-11] .采 用1∶1 的模型比例 , 研究中保证模型和实物的 Fr (弗劳德数)相等 .实验采用有机玻璃制作结晶器模 型和浸入式水口模型 .为更进一步保证从中间包到 水口再到结晶器流体流动的相似 ,在模型中用有机 玻璃制作了与现场使用的滑板结构相同的滑板模型 以控制从水箱(即中间包水模型)流入结晶器水模型 的水量.为消除模型结晶器出口处水流速度等对模 型上部流场的影响, 稳定模型内部流场 ,将结晶器模 型高度加长至 2 m .实验过程中 ,采用 DJ800 型水工 多功能监测系统进行压力和波高的测量, 实验结果 分析中用到的测点处的压力等于测点处的测量压力 减去测点处水的静压力.波高为一个波的波峰与波 谷的高度差.采用 LS1206B 型旋桨式流速计对结晶 器水模型流体流速进行测定. 数值模拟采用 ANSYS CFX 10.0 软件进行计 算.计算过程中作如下假设 [ 1-6] :结晶器内钢液的 流动为稳态黏性不可压缩流动 ;不计结晶器液面的 波动 ,把液面设置为自由面;不考虑结晶器内凝固壳 的存在 ,计算区域的边界为达到但不包括糊状区的 位置 ;壁面设为无滑移边界条件;忽略结晶器振动及 锥度等因素的影响.采用连续方程、Navier-Stokes 方程和 κ(湍流动能)-ε(湍流动能耗散)方程联立求 解.模型入口定义在水口入口处, 其速度根据质量 守恒定律 、水口直径 、拉坯速度和结晶器断面尺寸来 确定 ;模型出口定义在结晶器计算区域的底部 ,将其 设为质量边界条件 , 即出口处与入口处质量守恒 . 由于水口、结晶器几何模型和内部流体流动特征具 有对称性 ,本研究以结晶器宽面的中心面为对称面 , 采用 1/2 结晶器模型进行计算 .其几何模型和网格 划分如图 1 所示 . 2 研究结果 2.1 水口出口角度对波高和表面流速的影响 水模型实验中水口出口角度对波高和表面流速 的影响见图2 和图3 .由图可见,在距离结晶器窄面 50 mm 的位置 ,向下15°水口所对应的波高和表面流 速小于 25°水口对应的数值 .在结晶器液面的其他 位置 ,随着出口角度的增大,结晶器液面的波高和表 图 1 结晶器几何模型(a)及网格划分(b) Fig.1 Mold geometry (a)and mesh(b) 图2 水口出口角度对波高的影响 Fig.2 Relationship betw een nozzle port angle and level fluctuation 图 3 水口出口角度对表面流速的影响 Fig.3 Relationship betw een nozzle port angle and surface velocit y 面流速均减小.主要原因是 ,水口的射流撞击到结 晶器窄面后分成上下两个回流区, 实验过程中发现 15°水口所对应的上回流区发展不完整 ,即沿着结晶 器窄面向上的流股在未到达结晶器液面前已经改变 为流向水口的流股, 所以结晶器窄面位置附近的流 速和波动均较小.但是, 15°水口向上的流股的总量 大于 25°水口, 这就造成其他位置的波高和表面流 速大于 25°水口的数值 .虽然 0°水口和 15°水口均存 在上回流区发展不完整的现象 ,但是由于 0°水口向 上的流股的总量明显大于其他角度的水口 ,所以距 · 478 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷