,8 北京科技大学学报 2009年增刊1 合现象，其中吹氩搅拌过程钢水运动的驱动力主要 (4)湍动能耗散率方程： 来自吹入气体的浮力，这使得运动的钢水具有两相 Pur-La -CLEGk C2 Pe2 流的特征，故本文采用两项流模型， x Gedxi (4) 1.1基本假设 西+04 首先对钢包吹氩过程作以下假设： G=4a3x0x对 (5) (1)流体为不可压缩的粘性流体，密度为常数 式中，为湍动耗散率e对应的Prandtl数；C为经 (②)流体的自由面为光滑的水平面， 验常数；μ是分子粘性系数 (3)钢包吹氩过程中，气泡浮力是驱使钢液循 (5)辅助方程： 环流动的主动力， f=以十从 4,=C%2/e (6) (4)气泡为大小均匀，具有同一直径(d)的 球体。 式中，为表观湍流粘性系数；C为经验常数 1.2基本方程 1.3边界条件 LF精炼过程中，当吹入气体流量保持不变时， 在钢包侧壁和底部的固体壁面，对速度、压力使 钢包内钢水的流动状态会很快稳定并长时间地保持 用无滑移边界条件，将k和e设为零：在自由液面， 下去，这种仅与空间有关而与时间无关的流动状态 气体以它到达顶表面的速度离开钢包，液体则不允 通常被称为稳态，描述三维稳态湍流流动分别使用 许离开体系，对两相均给出一个零剪应力条件，k和 了下列方程 E也引入零梯度边界条件；将底吹氩气孔定为入口， (1)连续方程： 入口采用质量进口边界 a(u=0 (1) 1.4数值求解 axi 钢包吹氩搅拌流场和钢液流动速度的计算是在 式中，P是密度；u为时均速度， PC机上利用商业软件FLUENT完成的.利用 (2)动量方程： FLUENT软件的Mixture多项流模型对钢包流场进行 (Ouuj)2p 了模拟显示，并对钢液表面的流动速度进行计算)]， axj (2) 2数值模拟结果 式中，p为流体微元上的压力；“m为湍流有效粘性 某厂由于在原基础上进行过扩容处理，所以包 系数；g为重力加速度， 底近似椭圆，有研究表明，单孔底吹喷孔距包底中 (③)湍动能方程： 心0.4R~0.7R处可取得良好的精炼效果.但对双 3 Dud-t 孔底吹喷孔布置方式研究存在不同的结论】.原 Gkdx) =Gk一E (3) 钢包吹氩孔位于距钢包0.55R处，位置合理，现计 式中，k为湍动能；o,为湍动能k对应的Prandtl数； 划在原来钢包基础上再新加一个吹氩孔，使钢包在 G是由于平均梯度引起的湍动能k的产生项：e为 双孔喷吹下取得良好的精炼效果，根据现场生产要 湍动耗散率. 求，底吹氩暗孔的布署分三种方式如图1所示 (a) 250 250 (c) r91 (b) 250 R100 4R0 图1底吹氩喷孔布置方式示意图.(a)单孔底吹；(b)双孔中心对称底吹；()双孔轴对称底吹（单位：mm) 2.1流场模拟结果 场进行模拟，为更有效的找到不同喷孔布置方式对 利用FLUENT软件对吹氩量QA=2O0NL· 流场的影响，对钢包内不同截面的流场图进行分析· min时三种底吹氩喷孔布置方式下钢包内钢液流 图2为单孔偏心底吹不同截面的流场图，采用合现象‚其中吹氩搅拌过程钢水运动的驱动力主要 来自吹入气体的浮力‚这使得运动的钢水具有两相 流的特征‚故本文采用两项流模型． 1∙1 基本假设 首先对钢包吹氩过程作以下假设： （1） 流体为不可压缩的粘性流体‚密度为常数． （2） 流体的自由面为光滑的水平面． （3） 钢包吹氩过程中‚气泡浮力是驱使钢液循 环流动的主动力． （4） 气泡为大小均匀‚具有同一直径（ db ）的 球体． 1∙2 基本方程 LF 精炼过程中‚当吹入气体流量保持不变时‚ 钢包内钢水的流动状态会很快稳定并长时间地保持 下去‚这种仅与空间有关而与时间无关的流动状态 通常被称为稳态．描述三维稳态湍流流动分别使用 了下列方程［2］： （1） 连续方程： ∂（ρui） ∂xi ＝0 （1） 式中‚ρ是密度；u 为时均速度． （2） 动量方程： ∂（ρuiuj） ∂xj ＝— ∂p ∂xi ＋ ∂ ∂xi μeff ∂ui ∂xj ＋ ∂uj ∂xi ＋ρgi （2） 式中‚p 为流体微元上的压力；μeff为湍流有效粘性 系数；g 为重力加速度． （3） 湍动能方程： ∂ ∂xi ρuik— μeff σk ∂k ∂xi ＝ Gk—ρε （3） 式中‚k 为湍动能；σk 为湍动能 k 对应的 Prandtl 数； Gk 是由于平均梯度引起的湍动能 k 的产生项；ε为 湍动耗散率． （4） 湍动能耗散率方程： ∂ ∂xi ρuεi — μeff σε ∂ε ∂xi ＝ C1εGk k — C2ρε2 k （4） Gk＝μi ∂uj ∂xi ∂ui ∂xj ＋ ∂uj ∂xi （5） 式中‚σε为湍动耗散率ε对应的 Prandtl 数；C 为经 验常数；μ是分子粘性系数． （5） 辅助方程： μeff＝μ＋μt μt＝Cμρk 2／ε （6） 式中‚μt 为表观湍流粘性系数；Cμ 为经验常数． 1∙3 边界条件 在钢包侧壁和底部的固体壁面‚对速度、压力使 用无滑移边界条件‚将 k 和ε设为零；在自由液面‚ 气体以它到达顶表面的速度离开钢包‚液体则不允 许离开体系‚对两相均给出一个零剪应力条件‚k 和 ε也引入零梯度边界条件；将底吹氩气孔定为入口‚ 入口采用质量进口边界． 1∙4 数值求解 钢包吹氩搅拌流场和钢液流动速度的计算是在 PC 机上利用商业软件 FLUENT 完成的．利用 FLUENT 软件的 Mixture 多项流模型对钢包流场进行 了模拟显示‚并对钢液表面的流动速度进行计算［3］． 2 数值模拟结果 某厂由于在原基础上进行过扩容处理‚所以包 底近似椭圆．有研究表明‚单孔底吹喷孔距包底中 心0∙4R～0∙7R 处可取得良好的精炼效果．但对双 孔底吹喷孔布置方式研究存在不同的结论［4—7］．原 钢包吹氩孔位于距钢包0∙55R 处‚位置合理‚现计 划在原来钢包基础上再新加一个吹氩孔‚使钢包在 双孔喷吹下取得良好的精炼效果．根据现场生产要 求‚底吹氩喷孔的布置分三种方式如图1所示． 图1 底吹氩喷孔布置方式示意图．（a） 单孔底吹；（b） 双孔中心对称底吹；（c） 双孔轴对称底吹（单位：mm） 2∙1 流场模拟结果 利用 FLUENT 软件对吹氩量 QAr＝200NL· min —1时三种底吹氩喷孔布置方式下钢包内钢液流 场进行模拟‚为更有效的找到不同喷孔布置方式对 流场的影响‚对钢包内不同截面的流场图进行分析． 图2为单孔偏心底吹不同截面的流场图．采用 ·8· 北 京 科 技 大 学 学 报 2009年 增刊1