非对称结构中间包内流体流动数值模拟

非对称结构中间包内流体流动数值模拟

0中间包的水力学模型中间流包可以均匀地调节每个流的钢液温度，每个流的操作参数趋于一致。钢液温度对钢液的分配以及非金属夹杂的上浮排除有重要影响。为了保证多流中间包(特别是非对称结构中间包远端水口)正常开浇,最终得到符合质量的连铸钢坯,国内外学者通过水力学模型和数值模拟方法对多流中间包进行结构优化,但水力学模型很难模拟出非等温过程的流动状态,也不能模拟传热特征。笔者运用数值计算的方法,采用广泛使用的大型商业软件结合自编程序,对某钢厂五流T型非对称结构中间包内钢液的流动、传热特征进行数值模拟,以达到优化中间包内流体流动状态、均匀各流钢液温度、延长停留时间较短的近水口2、3流平均停留时间,促使非金属夹杂物上浮排除,提高铸坯质量的目的。1数学模型1.1钢液和钢液的传热及传热特性①中间包内钢液为单相湍流流动;②中间包内钢液流动稳定,且不可压缩;③忽略渣层对钢液流动的影响,钢液面视为自由表面;④钢液的密度、粘度、比热容等热物理性质参量为常数;⑤中间包的热量损失主要由热辐射和热传导引起,传热过程是一个三维稳态过程;⑥示踪剂的传输是一个瞬态过程。1.2控制方程式(1)质量连续方程∂ρ∂t+∂(ρUj)∂xj=0(1)∂ρ∂t+∂(ρUj)∂xj=0(1)(2)[uj[ρ∂Ui∂t+ρUj∂Uixj=-∂p∂xi+∂∂xj{μ[∂Ui∂xj+∂Uj∂xi]}-∂ρu´iu´j∂xj+ρgi(2)ρ∂Ui∂t+ρUj∂Uixj=−∂p∂xi+∂∂xj{μ[∂Ui∂xj+∂Uj∂xi]}−∂ρu′iu′j∂xj+ρgi(2)(3)雷达热输送项目∂(ρΤ)∂t+∂(ρUjΤ)∂xj=∂∂xj[λcp?∂Τ∂xj]+μCp(>+ε)-∂(ρu´jθ´)∂xj(3)∂(ρT)∂t+∂(ρUjT)∂xj=∂∂xj[λcp?∂T∂xj]+μCp(>+ε)−∂(ρu′jθ′)∂xj(3)式(3)中:∂(ρu´jθ´)∂xj为雷诺热输送项,>代表耗散函数。(4)b评分表k方程:ρUj∂Κ∂xj=∂∂xj[μeffσk×∂Κ∂xj]+G-ρε(4)ε双方程:ρUj∂ε∂xj=∂∂xj[μeffσε×∂ε∂xj]+(C1Gε-C2ρε2)Κ(5)式(4)、(5)中:G=μt∂Uj∂xi[∂Ui∂xj+∂Uj∂xi];μt=CμρΚ2ε;μeff=μ+μt(5)中间包的出口∂(ρcs)∂t+∂(ρcsUj)∂xj-∂∂xj[Ds∂(ρcs)∂xj]=Ss(6)式(6)中左边三项分别为示踪剂质量浓度在钢液中的瞬态项、对流项及扩散项。右边为示踪剂在钢液中的源项(在钢液中示踪剂产生和消失的速率),选择中间包的出口作为监测点。主要符号描述:t为时间,s;xj表示三维各方向上的长度通量,m;Uj表示钢液湍流流动时三维各方向上的速度通量,m/s;ρ为钢液密度,7010kg/m3;p为钢液压力,N/m2;τ=ρu′iu′j为雷诺应力,kg/(m·s2);μ为钢液分子粘度,kg/(m·s);μt为钢液湍流粘度,kg/(m·s);μeff为钢液有效粘度,kg/(m·s);T为钢液温度,K;cp为钢液比热容,700J/(kg·K);λ为钢液热扩散系数,W/(m·J);K为钢液湍流动能,kg2/s2;ε为钢液湍流耗散率,(m2/s3);模型常数C1=1.43、C2=1.93、Cμ=0.09、σK=1.0、σε=1.3;cs为示踪剂无量纲浓度;Ds为示踪剂扩散系数,kg/(m·s)。1.3入口水力学直径壁面(中间包内流体与内衬的交界面)使用无滑移边界条件(即:Ux=Uy=Uz=0),壁面上示踪剂通量为零;上表面对液相均认为是自由滑移边界(即τx=τy=τz=0),示踪剂传输行为计算时通量设为零;入口边界上,给出液相法向速度的大小。k、ε通过混合强度模型来进行计算,关系式如下:kin=1.5(iUin)2‚εin=k1.5in0.3D(7)Uin为钢液入口的平均速度;i为钢液湍流动能强度,取i=0.037;在此取D为入口的水力学直径,m;示踪剂总量为1;出口相对静压力为零,各流流量相等传热边界条件:其顶部、底部、侧墙热损失分别为36.0kW/m2、2.0kW/m2、3.0kW/m2。2中间包结构方案利用上述数学模型,以工厂原有的中间包结构及两个优化结构为研究对象,对三个方案的流场、传热及示踪剂传输状态进行模拟计算研究。方案1:中间包结构采用工厂原有方案(无控流装置)。方案2:在中间包内加“U”形导流墙,外端与注流中心线的距离为400mm,在A向导流墙上开三孔,B向导流墙上开两孔,并在T型口处加挡渣堰,从右往左依次为1、2、3、4、5流,如图1所示。方案3:在中间包内加“V”形挡墙,在A向导流墙上开三孔,B向导流墙上开两孔,T型口处加挡渣堰,距离注流中心线2400mm处加一块高为200mm的挡坝,如图2所示。3分析与讨论的结果3.1布拉平布图3给出了仿真模拟所得到的各方案钢液流线图,钢液流线表示的是稳态条件下,进入的钢液在中间包内的流动趋势。图4给出了三个方案入口特征截面上的速度矢量分布,可以看出速度的大小和方向。由图3(a)和图4(a)的流场分布来看,经由入口进入的流体,速度较高,在注流区强湍流的情况下,形成循环流动,速度迅速下降,然后钢液由T型口进入低湍流区,速度较为缓慢,形成较弱的循环流动。由图3(b)、图4(b)及图3(c)、图4(c)可以看出湍流区主要被限制在T型区,钢液经挡渣堰后流速明显降低,湍流强度明显降低;方案2、3中间包内的钢液经过导流墙的开孔可以经边路流动,这对于均匀钢液,提高夹杂物上浮率是有利的。3.2包的下温度分布图5给出了三个方案出口中心线X向截面上的温度分布。从图5(a)可以看出,2、3流与其他流的温差较大,尤其是与远端的5流差别最大,极值为7.3K,在包的左上部温度很低,说明存在明显的死区。方案2、3则有了明显的改善,5流的温度得到了提高,有利于其正常开浇。对三个图的比较可以看出,方案2各流出口钢液温度极差最小(0.625K),五个流温度基本上达到一致,包内钢液温度分布也更为均匀。3.3平均停留时间统计值钢液在中间包内的平均停留时间是研究中间包内流动特征和混合特征的一个重要参数,各流的平均停留时间代表钢液从中间包五个出口流出的有效体积,延长各流的总平均停留时间有助于夹杂物上浮及减少死区体积,各流平均停留时间一致有助于均衡各流的温度,保证各流铸坯质量一致。通过自编程序模拟监测中间包出口处的示踪剂浓度变化,得到出口处示踪剂无量纲浓度随时间的变化值,利用得到的数据做出示踪剂浓度随时间的变化曲线(称为停留时间分布(RTD)曲线),并计算出各流及总的平均停留时间。表1给出了三个方案的平均停留时间统计值;图6～8给出了三个方案五个出口的RTD分布曲线。示踪剂的浓度变化代表钢液在中间包内停留时间的分布规律,示踪剂浓度刚开始增加的部分代表寿命极短的分子,浓度最后极其缓慢衰减的那部分代表寿命极长的分子,其他的在中间范围内波动,因此得到的示踪剂浓度-时间曲线称为停留时间分布(RTD)曲线。从图6可以看出,无控流装置中间包5个流的出口的停留时间曲线差别很大,存在明显短路流特征峰值。从曲线的趋势看,2、3流出水口示踪剂响应更快,峰值较远端出水口来得快得多,峰值也比远端水口的峰值大得多。由表1中方案1平均停留时间的统计值也可以看出各流差异很大。从图7可以看出方案2的5个流的停留时间曲线趋向基本一致,重合性比较好。这说明在导流墙上开孔可使钢水先到边流,相对于原有方案提高了2流、3流的平均停留时间,有利于夹杂物上浮。由表1中方案2平均停留时间的统计值可以看出5个流流动基本一致,总的平均停留时间比方案1延长了29.6s。从图8可以看出方案3前4流出口的停留时间曲线趋向基本一致,重合性比较好。无论是前4个流的响应时间、达到峰值时间,还是4个流的峰值大小都比较接近。第5流与其他4流差异较大,主要是在4、5流之间加了一块挡板,这是出于提高第5流温度和夹杂物上浮率的目的。由表1中方案3平均停留时间的统计值可以看出前4个流的平均停留时间基本上一致,总的平均停留时间比方案1延长了31s。综合流场和温度场及各流的无量纲浓度-时间曲线考虑,方案2为最佳选择。4带控流装置的