RH真空精煉吹氬參數對循環(huán)流動(dòng)影響的數值分析

　　為研究RH真空脫氣過(guò)程中的流動(dòng)行為,建立了描述氣泡驅動(dòng)下的RH 循環(huán)氣2液兩相流動(dòng)的數學(xué)模型�；�于歐拉-歐拉兩流體模型,利用計算流體力學(xué)(CFD) 商業(yè)軟件FLUENT6.0 ,對不同充氣量條件下的循環(huán)流量進(jìn)行了預測。計算結果與實(shí)驗數據的比較表明兩者具有較好的一致性。應用該模型對充氣壓強與循環(huán)流量、充氣量與上升管內氣相及液相速度分布關(guān)系進(jìn)行了數值模擬,用以理解其中的流動(dòng)規律,為工程技術(shù)改進(jìn)提供參考。

　　RH鋼液循環(huán)脫氣裝置是真空精煉中處理量最大、處理效果最好、功能最多、發(fā)展最快的設備 ,是當前實(shí)現大批量制取純凈鋼材的主要工藝手段,其工作原理見(jiàn)圖1 。上部的精煉室(真空室) 被多級水蒸汽噴射泵抽空形成負壓,鋼包中的鋼水在大氣壓的作用下進(jìn)入真空室。氬氣由左側上升管吹入,鋼水在氬氣的驅動(dòng)下,形成由上升管流入、下降管流出的鋼水循環(huán)過(guò)程,完成有害組分(非金屬夾雜物)的分離與排除,有效組分(合金元素、冶煉粉劑) 的混合與均勻。RH 循環(huán)脫氣是基于氬氣驅動(dòng)的氣-液多相流動(dòng)問(wèn)題,鋼水的流動(dòng)行為是能否高效獲得高質(zhì)量鋼材的決定性因素。

圖1 　RH 真空精煉裝置工作原理簡(jiǎn)圖

　　由于RH真空循環(huán)脫氣過(guò)程很難進(jìn)行實(shí)際測定,人們常常采用數值模擬和物理模型實(shí)驗相結合的研究方法,探討驅動(dòng)氣體參數、上升管、下降管幾何參數等對流動(dòng)過(guò)程的影響,為實(shí)際工程應用提供設計或改進(jìn)方案。近年來(lái),采用數值模擬技術(shù)研究和分析真空領(lǐng)域中相關(guān)問(wèn)題開(kāi)始得到重視,數值計算理論不斷完善,數值模擬能力不斷提高。計算流體力學(xué)(CFD) 已經(jīng)可以求解復雜的流動(dòng)和傳熱問(wèn)題,其豐富的可視化預測結果,為復雜流動(dòng)問(wèn)題的理解和分析提供了極大的幫助,對真空精煉過(guò)程的數值模擬同樣具有重要價(jià)值�，F有對RH 真空精煉的理論分析和數值模擬中多將鋼包和真空室分開(kāi)來(lái)討論,對鋼包內鋼水流動(dòng) 、真空室內的脫碳反應等進(jìn)行模擬。本文將討論吹氬流量和壓力對RH 循環(huán)的影響,為充氣參數優(yōu)化提供參考。

1、數學(xué)模型

　　到目前為止,歐拉-歐拉兩流體模型被認為是描述兩相流系統宏觀(guān)流動(dòng)的最好方法。本文采用基于歐拉方法的兩流體模型,對RH 循環(huán)流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬。

1.1、基本假設

　　(1)流動(dòng)過(guò)程為等溫流動(dòng); (2)液相為不可壓縮粘性流體,壁面處無(wú)滑移; (3)流動(dòng)狀態(tài)為泡狀流;(4)氣液兩相間的動(dòng)量傳輸以相間作用力為主; (5)同一計算域內兩相的壓強相等。

1.2、質(zhì)量守恒方程

　　等溫條件下兩相之間無(wú)質(zhì)量傳遞,兩相流動(dòng)的連續性方程為:

　　其中,α、ρ和v 分別為氣(液) 含率、密度和速度。下標i = l 或g 表示液相或氣相。

1.3、動(dòng)量守恒方程

　　氣、液兩相存在速度梯度,考慮相間相互作用力,兩相流動(dòng)的動(dòng)量方程為:

　　其中, Fi 為總的相間力, g 為重力加速度矢量, P 為壓強。

　　在等溫氣-液兩相流動(dòng)中,表面動(dòng)量傳遞在動(dòng)量方程中起主導作用,本文考慮的相間作用力主要由牽引力、上升力組成:

　　其中, Flg為氣相對液相的動(dòng)量傳遞, Fgl為液相對氣相的動(dòng)量傳遞。

　　牽引力函數采用Ishii 和Zuber 模型:

　　其中, CD 為牽引系數, aif 為相間表面積濃度(單位體積中的相間面積,與氣泡表面幾何結構相關(guān)) 。上升力與氣液兩相的相對速度以及流體速度相關(guān),為 :

　　其中, CL 為上升力系數。

2、數值模擬

　　按照相似準則建立幾何模型,為分析和比較方便,本文采用真空技術(shù)網(wǎng)另外一篇文章中給定的RH物理實(shí)驗模型,具體幾何參數和尺寸見(jiàn)表1。模擬流體為水和氬氣。

表1 　RH 幾何模型的主要幾何尺寸

　　采用非結構化三維六面體網(wǎng)格對計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 網(wǎng)格數量為19077 個(gè)。以FLU2ENT6.0 為計算平臺,對于真空室,取上升管和下降管入口所在平面為x - y平面, 上升管與下降管圓心聯(lián)線(xiàn)的中點(diǎn)為坐標原點(diǎn),垂直于x - y 平面向上為z 軸正向;充氬管管口處為氣相速度入口,氣泡直徑為5mm ,氣含率為1 ;上升管入口處為液相速度入口,液含率為1 ,速率設定為0.1m·s ^{- 1} ;自由液面處為壓強入口;下降管出口處為壓強出口。對于鋼包,取鋼包底面圓心為坐標原點(diǎn),鋼包底面所在平面為x - y 平面,z 軸正向向上;與下降管出口相接的圓面為速度入口,速率由真空室出口條件確定;與上升管入口相接的圓面為速度出口;自由液面處為壓強入口。采用標準k - ε模型求解流動(dòng)控制方程,得到RH 真空精煉循環(huán)流動(dòng)的影響因素和相關(guān)流動(dòng)規律。