双流体模型在AOD熔池流场数学模拟中的应用.pdf

2010年第1期宝 钢 技 术 双流体模型在AOD熔池流场数学模拟中的应用 贺 元 (上海宝钢工程技术有限公司,上海 201900) 摘要:基于气液双流体模型和湍流的修正k2 模型 ,考虑了多股气流侧吹操作对熔池流场 的影响,以及AOD熔池内气液两相流的行为和两相间的动量传输,建立了AOD多股气流侧吹 精炼过程中熔池内流体流动的数学模型,并对宝钢股份不锈钢事业部120 tAOD原型和线尺 寸为其1 /4的水模型熔池内流体的流动作了模拟,结果表明,确实可以采用双流体模型来模拟 AOD精炼过程中熔池内流体的流动;用该模型计算的结果表明,整个熔池流体处于活泼的搅 拌和循环运动状态。 关键词:AOD;流场;气液两相流;双流体模型;数学模拟 中图分类号: TF777 文献标志码:B 文章编号: 1008 - 0716(2010)01 - 0017 - 06 Application of the Two2flu id M odel in M athematica lM odelin g of the AOD Ba th Flu id Flow H E Yuan ( Shangha i Baosteel Eng ineer ing the liquid in the AOD bath underwent vigorous stirring and circulatory motion during blowing . Key words:AOD; flow field; gas2liquid two2 phase flow; two2 fluid model; mathematical mod2 eling 0 引言 AOD精炼过程最根本的物理特征是钢液在 气体射流驱动下的循环流动,就气体喷吹操作而 言,AOD精炼当属水平侧吹过程。在该精炼过程 中,钢液由于上浮气泡的提升作用而发生循环流 动 。 实际上,气液两相区是由气泡弥散于钢液内 贺 元 硕士 1981年生 2006年毕业于上海大学 现从事炼钢工程技术工作 电话 66666 2 y 而形成的。为表征这种行为特性,将该体系看作 气液两相混合物。根据双流体模型的概念,气液 两相分别为具有明显边界的不同连续相,通过有 限的相间界面彼此相互渗透,相互作用,但并不互 溶。目前,基于双流体模型对配有多支侧枪的 AOD熔池内流体流动的数学模拟,文献中尚未见 有关研究报道。 本文从双流体模型 1 出发 ,考虑多股气流侧 吹操作对熔池流场的影响,建立了侧吹条件下 OD精炼过程中钢液流动的三维数学模型,并应 用该模型对OD炉及线尺寸为其的水 71 7878 - 70 7 E mailuanhebaosteel . com A 120 tA1 /4 宝 钢 技 术2010年第1期 模型装置内流体的流动作了模拟和估计。 1 数学模型 1. 1 基本假设 对侧吹条件下AOD精炼过程熔池内流体的 流动作如下基本假设: 同一计算单元内气液两 相承受的压力相同; 钢液面为无黏自由表面; 气泡尺寸均匀; 把湍流限定为液相的性能,通过 对液相湍动能和湍动能耗散率的传输方程的修正 来考虑气泡的弥散和气相对液相湍流的促进作 用; 以界面曳力,即界面摩擦力表征气液两相间 的动量传输; 忽略气液两相流的体积变化,在壁 面处均无滑移; 体系处于稳态湍流。 1. 2 控制方程 (1)相连续性方程 (rj j Uj)- ( r rj)= 0(1) r=t/d (2) 对于水平射流,弥散相Prandtl 数 d的值为 1。由于两相完全占据整个计算域,相应的体积分 数之和为1,r1+r2= 1。 (2)相动量守恒方程 (rjjUjj-rjeff j- jr rj)= -rj p+rjjg+SjP(3) 式中,单位体积相间动量源SjP为: SjP=FIP(Ui- Uj) (4) 其中FIP是相间曳力系数 1 : FIP=0 . 75Cd 1r1r2 Uslip/db(5) 根据Kuo and Wallis 2 的所谓“dirty2 water” 模 型,Cd与基于气泡尺寸及气液两相滑移(相对)速 度 Usli p 的Reynolds数Re和Weber数We有关: Cd= 16 /Re Re 0.49 20.68/Re 0.643 0.49;Re 100 6.3/Re 0.385 100 Re We/32 065.1/We 2.6 Re 8/38 We (6) Re和We分别定义为 Re= 1 Uslipdb/ 1 (7) We= 1 Uslip 2 db/(8) 1.3 湍流模型 根据所作的假设,仅需对液相求解湍动能及 其耗散率的传输方程,相应的双相2模型可表 示为: k方程: (r1 1 U1k-r1 k k-k r r1)= r11(G k 1 -)+r1Gkb(9) 方程 : (r11U1-r1 - r r1)= r1 1 k (C1 Gk 1 -C2)+r1C1Gkb/k(10) 式(9)和(10)左边第三项表示相质量扩散所 携带的湍动能扩散流,为弥散相对连续相湍动能 的贡献,对扩散系数 k和 ,分别有: k= (1 +t) /k(11) =(1+t)/ (12) 湍流黏度和有效黏度分别为 t =C 1k 2 /(13) eff=1+t (14) Gk是由剪切力所引起的k的体积生成率,与 k2模型有相同的形式, Gkb为气泡穿过连续相时 曳力做功所致的k的生成率 3 - 4 , Gkb= 0 . 75CbCd 1r1r2 Uslip 3 /db(15) 由试算结果,本工作取经验常数Cb= 0. 05, C= 0 . 09,C2= 1.92, C1= 1.44,k= 1. 0,= 1 . 3。 1 . 4 边界条件 壁边界:与钢液接触的固体壁面处,速度分量 满足无滑脱边界条件,相应的法向分量取为零。 对壁面附近的区域采用壁函数法处理。 入口条件:r1= 0, r2=1。 120 tAOD炉配有7支侧吹套管式等截面喷 枪, 120 tAOD炉及其水模型的吹气量、 喷吹气体 入口参数按文献5 中所用方法确定。 出口条件:在自由表面(Z=H)处,允许气体以 到达表面的速度离开。相应的恒定压力边界为: P=Pex t 9u1 9z = 9v1 9z = 9wg 9z = 9r2 9z = 9k 9z = 9 9z =0 (16) 2 数值计算方法 基于PHORNICS计算软件编程,采用BFC贴 体坐标系,以控制体积法将微分方程离散化,以相 间滑移算法( IPSA) 1 求解该双流体问题。对熔 池内的流场,AOD模型和原型的整个计算域网格 数,分别取为555和556(xy z)。 81 k 004020 贺 元 双流体模型在AOD熔池流场数学模拟中的应用 3 计算结果 以该数学模型模拟了侧吹条件下120 t AOD 炉和其线尺寸为1 /4的水模型装置熔池内流体的 流场,并得到了相应的湍动能分布。图1(a)和 (b)所示分别为120 t AOD炉和线尺寸为其1 /4 的水模型装置的剖面,其中ABCD为通过AOD炉 熔池中轴线的对称面, EFGH为侧枪中心线所在 位置的横截面,ADMN为熔池液面所在位置的横 截面, K2K为通过熔池中轴线并与ABCD相垂直 的纵剖面,N2 N和M2 M分别为与K2 K彼此相互平 行的左侧和右侧1 /2半径处的纵剖面,图1 (c)为 侧吹喷枪枪位示意图。 对应于图1(a)和(b)中所示的ABCD、EF2 GH、N2 N、M 2 M各截面,由该模型估计的7枪18 下水模型装置熔池内液体的流场示于图2,计算 时取侧吹总气量为101. 78 m 3 /h。相应地,该模 型给出的120 t AOD炉熔池内钢液的流场示于图 3,计算时所用的侧吹总气量为8 400 m 3 /h。对应 于这些截面,得到的模型和原型装置熔池内的湍 动能分布分别示于图4和5。 图1 AOD装置熔池及侧吹喷枪的枪位的示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the AOD bath and the position of side blowing lances 4 结果分析及讨论 如图2和图3中所示,以该数学模型计算得 的模型装置及其原型熔池内有关截面上的流场可 以清楚地看到,在通过多支侧枪喷吹时,从炉底部 侧壁经等截面喷枪被沿水平方向吹入熔池的气体 呈射流状态,由于惯性力和浮力的共同作用,各股 气体射流在熔池液体内沿水平方向穿透一定距离 后逐渐转为斜着向上运动,由于在紊乱流动中能 量的耗散和动能向位能的转变,其速度逐渐减小; 在101. 78和8 400 m 3 /h的侧吹总气量下,水平射 流的穿透深度对模型和原型均为熔池半径的1 /3。 随着气流的上升,各流股内的压力减小,其周围的 液体不断被吸入,形成气液两相流,其横截面逐渐 增大,同时引起强烈的搅拌和混合,直到升至液 面。在此过程中,液体的动能逐渐转变为位能,这 会导致气液两相区顶部液面高于其周围液面,这 部分液体在重力作用下下落而引起整个熔池液面 的波动。鉴于本工作将熔池液面视为无黏性的平 面,给出的流场未能直接直观地显示该效应,但仍 可清楚地看到,对应于各侧枪所夹的扇形区域,这 部分液体流向侧枪出口对面的周壁,然后在炉壁 的阻挡下转而沿侧壁向熔池下底部流动,在气液 两相流的卷吸作用下,再次流入气液两相区,从而 完成一次循环流动,于熔池内形成一个大的主回 流,在7枪18的情况下其涡心基本上位于熔池 中心。与此同时,在熔池其他部位,如气液两相区 外的熔池上部侧壁附近、 熔池下部区域和气液两 相区周围,在各气体射流的驱动下,形成不少大小 不等的涡流和环流,相对而言,在这些区域钢液相 应的流速都较小,但在气液两相区和紧贴侧枪的 壁面之间,不存在垂直方向的环流,液体始终以相 当大的速度沿侧壁向上流动。这与Szekely等 6 的报道相左,而于Tilliander等 7 的结果一致。整 个熔池液体处于活跃的搅拌和运动之中,正是这 种气体搅拌和液体流动模式保证了AOD精炼过 程极好的混合效果。 仔细审视图2和图3可以发现,就熔池内气 体搅拌和液体流动特征而言,由该模型给出的结 果表明,两者间有足够高的相似性,这从另一个方 面证实了所确定的模型吹气量的合理性。 比较图25可以看到,由该数学模型给出的 熔池内液体的湍流动能分布和速度分布模式彼此 完全相符。 在两相区内,液体的湍流动能都很高, 91 宝 钢 技 术2010年第1期 特别是在射流出口附近,湍动能最高,在本工作条 件下,模型熔池内达1. 0 m 2 /s 2 ,原型熔池内达 3. 0 m 2 / s 2。 由于侧枪配置、 吹炼模式、 实验工况的不同, 本工作得到的液体速度分布与Tilliander等 7 和 朱苗勇等 8 给出的结果也有较大差异 ,可比性不 强。朱苗勇等基于均相流模型对单支侧枪喷吹的 工况进行了模拟,而实际吹炼过程当中,OD是 多支侧枪同时喷吹,气相和液相相互渗透相互影 响,最终形成的气泡弥散于钢液内而形成气液两 相区,采用单支喷枪替代多支喷枪的吹炼模式、 用 均相流模型模拟双流体的流动行为,显然与实际 状况有很大出入。 Tilliander等虽然基于双流体模型对熔池流 场进行了模拟,但是其模拟的仍然是单支侧枪喷 吹工况下的熔池流场,而实际吹炼过程当中,OD 02 AA 贺 元 双流体模型在AOD熔池流场数学模拟中的应用 多为多支侧枪喷吹模式,因此其所得结果并不能 精确说明多支侧枪工况下熔池内的实际流动状 况,只能提供定性参考。 采用双流体模型的一个优点就是无需任意修 改或试验测定气液两相区的形状和范围,仅需给 定气泡的尺寸及相应的相界面摩擦因数,本工作 首次采用双流体模型对多支侧枪产生的多股气流 所引起的OD熔池内流体的流动行为进行了模 拟,结果表明,确实可以采用双流体模型来分析和 处理AOD精炼过程中熔池的流场,模型所作的假 设也更符合实际情况。 5 结论 (1)基于气 液双流体模型所提出的数学模 型确实可以用来模拟多股侧吹气流作用下所引起 的AOD转炉熔池内流体的流动。 ( )以该数学模型计算得到的模型装置及其 原型熔池内有关截面上的流场表明气体从炉体底 12 A2 宝 钢 技 术2010年第1期 部侧壁经等截面喷枪被水平吹入熔池后,在多股 气流和液体的相互作用下,整个熔池流体处于活 泼的搅拌和循环运动状态,从而保证了AOD精炼 过程极好的混合效果。 附录:符 号 总 表 符号说 明符号说 明符号说 明 jj= 1,2代表液相和气相 l 液相的(层流)黏度/ ( kgm - 1s- 1 )Usli p气液两相滑移(相对)速度/ (ms- 1) rj 相体积分数 k、 与k、相应的Sch midt数 j 有关相在坐标方向的速度分量/ (ms- 1) j 相密度/ (kgm - 3) k湍动能/ (m2s- 2)x, y, z直角坐标/m Uj 相j的速度矢量/ (ms- 1) 湍动能耗散率/ (m2s- 3) 相间界面张力/ (kgs- 2) r 相扩散系数/ ( kgm - 1s- 1) eff 有效黏度/ ( kgm - 1s- 1) u, v , wx, y, z轴方向的速度分量 t 湍流涡黏度/ ( kgm - 1s- 1) Pext 环境压力/Pa Qs 侧吹气体总量/ (m3h- 1) db 气泡直径/m Cd 无因次曳力系数 k、 湍动能和湍动能耗散率的有效扩散系 数/(kgm - 1s- 1) 参考文献 1 SpaldingD B.Recent Advances in NumericalMethods in Flu2 ids M. 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