华承健等：浸人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 927· 表1原型与模型流体物理性质和浸入式水口儿何参数 壁面边界的轮廓，采用轮廓算数平均差的方法表 Table 1 Physical properties of the fluids in prototype and physical 征本实验使用的三种壁面形貌的表面粗糙度，近 model and the SEN geometric parameters 光滑模型壁面表面粗糙度为0，多孔耐火材料表 Parameter Value 面粗糙度为0.10335mm,结瘤物表面粗糙度为 Molten steel density,pp/(kg'm) 7020 0.077mm.采用物理模拟的方法在浸入式水口模 Molten steel viscosity,p/(Pa's) 0.0067 型内壁镶嵌多孔耐火材料结构和含结瘤物耐材壁 Water density (25C).P/(kgm) 997.074 面结构，结合PIV技术研究不同特征壁面附近流 Water viscosity (25C),u/(Pa's) 8.937×10 场边界层 Diameter of inner nozzle/mm 40 物理模拟系统使用水作为模拟介质，借助粒 Flow rate/(Lmin) 45 子图像测速设备(Germany:LaVision GmbH)分别 测量了三种不同特征壁面附近2维2速度分量边 - p 界层流场，图2为测量区域和实验装置示意图.浸 Pp (5) Mm 入式水口模型外侧套有方形水棱镜以消除圆管模 Pm 型曲率带来的成像误差.实验过程中采用Davis 其中，Re为雷诺数；p为密度，kgm3;v为速度， (8.4.0,Germany:LaVision GmbH软件控制图像采 ms;u为动力黏度，Pas;1为长度尺度，m;Fr为 集和测速结果后处理，示踪粒子选择直径为10μm 弗劳德数；g为重力加速度，9.8ms;下标p代表 的荧光示踪粒子，图像采集采用双帧双曝光模式， 原型，下标m代表模型 两束激光时间间隔60μ5，激光器和相机曝光频率 1.2浸入式水口壁面形貌演变和边界层流场测速 为70Hz,测量时间持续1s.实验中连续采集140 方法 张照片.问询窗口尺寸(128×128像素至96×96像 图1为钢液浇注过程中耐火材料壁面形貌变 素)75%重叠. 化示意图，浸入式水口壁面在钢液浇注前期带有 13流场分析方法 涂层，壁面形貌近似于光滑状态（图l(a)).随着浇 法向湍流动能(Rx)表征了流场内法向湍流输 注的进行，高温钢液与涂层及浸入式水口本体石 运的强弱，如公式(6)所示；法向(v)脉动速度和流 墨结构发生反应，涂层以及石墨结构逐渐熔解， 向()脉动速度分别表征流向和法向的速度随时 光滑表面逐渐转变为多孔的耐火材料本体结构 间变化的强弱，如公式(7)和公式(8)所示.相关研 (图1(b),伴随着钢中氧化铝夹杂物在壁面的沉 究表明，湍流边界层内的切变湍流中存在着可辨 积，多孔耐火材料壁面转变为含结瘤物的粗糙结 认的有序的运动，称之为湍流拟序结构.高速流体 瘤状态（图1(c).整个浇注过程，浸入式水口壁面 向壁面的运动和壁面低速流体远离壁面的运动是 特征转变过程可以描述为：近光滑壁面一多孔耐 湍流边界层中的两种典型拟序结构).高速流体 火材料壁面一粗糙结瘤壁面.提取PIV测量区域 向壁面运动为下扫事件，低速流体远离壁面的运 (a) (b) (c) Alumina Graphite Al.O,refractory Al.O;refractory inclusions Al,O;refractory material material material 图1钢液浇注过程没人式水口壁面特征变化示意图.(a)近光滑壁面：(b)多孔耐火材料壁面：(c)结瘤壁面 Fig.1 Schematic of SEN wall surface changing morphologies during casting:(a)smooth wall:(b)porous refractory wall;(c)clogged wal( lp lm ) 3 2 = µp ρp µm ρm （5） 其中 ， Re 为雷诺数 ； ρ 为密度 ， kg·m−3 ； v 为速度 ， m·s−1 ；μ 为动力黏度，Pa·s；l 为长度尺度，m；Fr 为 弗劳德数；g 为重力加速度，9.8 m·s−2；下标 p 代表 原型，下标 m 代表模型. 1.2    浸入式水口壁面形貌演变和边界层流场测速 方法 图 1 为钢液浇注过程中耐火材料壁面形貌变 化示意图，浸入式水口壁面在钢液浇注前期带有 涂层，壁面形貌近似于光滑状态（图 1（a））. 随着浇 注的进行，高温钢液与涂层及浸入式水口本体石 墨结构发生反应，涂层以及石墨结构逐渐熔解， 光滑表面逐渐转变为多孔的耐火材料本体结构 （图 1（b）），伴随着钢中氧化铝夹杂物在壁面的沉 积，多孔耐火材料壁面转变为含结瘤物的粗糙结 瘤状态（图 1（c））. 整个浇注过程，浸入式水口壁面 特征转变过程可以描述为：近光滑壁面—多孔耐 火材料壁面—粗糙结瘤壁面. 提取 PIV 测量区域 壁面边界的轮廓，采用轮廓算数平均差的方法表 征本实验使用的三种壁面形貌的表面粗糙度，近 光滑模型壁面表面粗糙度为 0，多孔耐火材料表 面粗糙度 为 0.10335 mm，结瘤物表面粗糙度 为 0.077 mm. 采用物理模拟的方法在浸入式水口模 型内壁镶嵌多孔耐火材料结构和含结瘤物耐材壁 面结构，结合 PIV 技术研究不同特征壁面附近流 场边界层. 物理模拟系统使用水作为模拟介质，借助粒 子图像测速设备（Germany: LaVision GmbH）分别 测量了三种不同特征壁面附近 2 维 2 速度分量边 界层流场，图 2 为测量区域和实验装置示意图. 浸 入式水口模型外侧套有方形水棱镜以消除圆管模 型曲率带来的成像误差. 实验过程中采用 Davis (8.4.0, Germany: LaVision GmbH) 软件控制图像采 集和测速结果后处理，示踪粒子选择直径为 10 μm 的荧光示踪粒子，图像采集采用双帧双曝光模式， 两束激光时间间隔 60 μs，激光器和相机曝光频率 为 70 Hz，测量时间持续 1 s. 实验中连续采集 140 张照片. 问询窗口尺寸（128×128 像素至 96×96 像 素）75% 重叠. 1.3    流场分析方法 法向湍流动能（Rxx）表征了流场内法向湍流输 运的强弱，如公式（6）所示；法向（v'）脉动速度和流 向（u'）脉动速度分别表征流向和法向的速度随时 间变化的强弱，如公式（7）和公式（8）所示. 相关研 究表明，湍流边界层内的切变湍流中存在着可辨 认的有序的运动，称之为湍流拟序结构. 高速流体 向壁面的运动和壁面低速流体远离壁面的运动是 湍流边界层中的两种典型拟序结构[13] . 高速流体 向壁面运动为下扫事件，低速流体远离壁面的运 表 1    原型与模型流体物理性质和浸入式水口几何参数 Table 1    Physical  properties  of  the  fluids  in  prototype  and  physical model and the SEN geometric parameters Parameter Value Molten steel density, ρP /(kg·m−3) 7020 Molten steel viscosity, μP /(Pa·s) 0.0067 Water density (25°C), ρm/(kg·m−3) 997.074 Water viscosity (25°C), μm/(Pa·s) 8.937×10−4 Diameter of inner nozzle/mm 40 Flow rate/(L·min−1) 45 Flow direction Flow direction Porous refrsctory wall Flow direction Clog wall Smooth wall Coating material (a) (b) (c) Graphite Al2O3 refractory material Al2O3 refractory material Al2O3 refractory material Alumina inclusions 图 1    钢液浇注过程浸入式水口壁面特征变化示意图. （a）近光滑壁面；（b）多孔耐火材料壁面；（c）结瘤壁面 Fig.1    Schematic of SEN wall surface changing morphologies during casting: (a) smooth wall；(b) porous refractory wall；(c) clogged wall 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 · 927 ·