基于特征線法單孔氧槍的射流特性數(shù)值模擬

安 號, 王宏丹, 任兵芝, 韓志偉

(1.重慶科技學(xué)院 冶金與材料工程學(xué)院，重慶 401331；2.中冶賽迪技術(shù)研究中心有限公司，重慶 400013)

1 前 言

氧槍的作用主要是向轉(zhuǎn)爐中吹送氧氣，是轉(zhuǎn)爐煉鋼的專用設(shè)備之一[1]。而氧氣在冶煉過程中作為攪拌介質(zhì)，已在轉(zhuǎn)爐吹煉過程中得到普遍運用。氧氣在槍體內(nèi)由壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，形成氧氣射流，其特性決定轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中氧氣射流對熔池的攪拌效果，進而關(guān)聯(lián)煉鋼的工藝措施和質(zhì)量控制，對煉鋼過程的冶金性能有著重大影響[2]。為提高氧氣利用率和冶金效果，Tago[3]和Odenthal[4]根據(jù)等熵理論模擬了在室溫和高溫條件下，單孔拉瓦爾氧槍的射流特性。劉坤等人[1]對單孔拉瓦爾氧槍內(nèi)外的射流流場進行了數(shù)值模擬，分析了不同滯止壓力下射流流場的分布特征并驗證了k-ε湍流模型的適用性。王文靜等人[5]以O(shè)2、N2和CO2射流為例，對4孔氧槍1個噴孔進行了二維射流流場模擬，對比分析了多種氣體的射流特性，為進一步優(yōu)化氧槍參數(shù)提供依據(jù)。包麗明等人[2]分析了操作壓力和環(huán)境溫度對單孔氧槍射流特性的影響。魏光升等人[6]分析了3種不同集束氧槍末端槍位條件下，射流動壓對熔池沖擊深度的影響。張國新等人[7]分析了新型雙結(jié)構(gòu)氧槍噴頭和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)氧槍噴頭在不同工況下的射流特性與轉(zhuǎn)爐熔池攪拌強度的分布規(guī)律。劉福海等人[8]對氧槍結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，設(shè)計了新型曲線拉瓦爾氧槍，研究了其在高溫條件下射流馬赫數(shù)等射流特性。

目前，冶金領(lǐng)域?qū)W者對拉瓦爾氧槍的噴頭結(jié)構(gòu)、噴孔數(shù)量、喉部結(jié)構(gòu)、氣源以及不同工況條件下的射流特性等做了大量的學(xué)術(shù)研究和報道，但是，對于拉瓦爾氧槍的幾何結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究還少見報道。

本文基于特征線法[9]思想，對拉瓦爾氧槍幾何結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，并采用Ansys APDL軟件，建立二維軸對稱模型并對其網(wǎng)格化以生成相關(guān)計算區(qū)域。采用可壓縮理想氣體、基于壓力耦合算法，在穩(wěn)態(tài)條件下展開對不同操作壓力下氧氣射流特性的研究，為進一步指導(dǎo)優(yōu)化氧槍結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的設(shè)計和運用提供理論依據(jù)[10]。

2 數(shù)值模擬模型建立

2.1 模型參數(shù)與網(wǎng)格劃分

為研究新型結(jié)構(gòu)氧槍的射流特性，本文采用Ansys APDL軟件的Plane 55單元進行建模和網(wǎng)格劃分，圖1為單孔拉瓦爾氧槍的二維軸對稱網(wǎng)格幾何結(jié)構(gòu)示意圖，計算域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，氧槍具體參數(shù)見表1。

圖1 模型網(wǎng)格示意圖

表1 氧槍結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

2.2 基本假設(shè)

對于氧槍射流的數(shù)值模擬做了以下符合控制方程的假設(shè)：①假定氧氣為牛頓流體[11]；②氧氣為理想氣體，在求解過程中滿足理想氣體狀態(tài)方程；③計算域中的環(huán)境溫度假定為常溫(300 K)，出口壓力假定為環(huán)境壓力；④計算域的流體流動符合等熵理論；⑤氧槍內(nèi)部流體流動無摩擦且壁面絕熱；⑥不考慮界面張力和表面張力[12]。

2.3 控制方程

根據(jù)計算流體力學(xué)，氧氣經(jīng)氧槍噴孔出口后產(chǎn)生的射流遵守基本的物理守恒定律，其中就包括質(zhì)量守恒、能量守恒、動量守恒等定律[8]。為了更精確地滿足以上基本定律，其中控制方程的選用就是對定律的數(shù)學(xué)描述，本文使用雷諾方法(Navier-Stokes)求解控制方程，其通用表達式如下所示：

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

湍流動能(k)方程：

(3)

湍流動能耗散率(ε)方程：

(4)

理想氣體狀態(tài)方程：

(5)

式中：ρ為理想氣體密度，kg/m3;R為理想氣體常數(shù);M為摩爾質(zhì)量，g/mol;u為速度矢量，m/s;μeff為有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);ΔT為氣體溫度，K;ε為耗散率;C1,C2，σk，σε為計算常數(shù);Gk為因平均速度梯度或耗散率產(chǎn)生的湍動能源項。

2.4 邊界條件及物性參數(shù)

本文設(shè)計的操作壓力為1.0 MPa，根據(jù)現(xiàn)場冶煉數(shù)據(jù)波動情況，操作壓力在一定范圍內(nèi)波動是允許的，所以本文模擬的具體操作壓力設(shè)置為0.8，1.0，1.2 MPa；出口壓力設(shè)置為標準大氣壓(0.1 MPa)；環(huán)境溫度為常溫(300 K)。采用商業(yè)軟件Ansys Fluent中的標準k-ε湍流模型進行數(shù)值模擬，壓力、密度和動量采用二階迎風(fēng)差分格式，能量采用一階迎風(fēng)差分格式，使用Coupled耦合求解法計算。設(shè)置入口為壓力入口，出口及邊界均為壓力出口，采用無滑移壁面函數(shù)[13]，近壁處采用標準壁面函數(shù)，具體物性參數(shù)見表2。

表2 材料熱物性參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 氧槍結(jié)構(gòu)內(nèi)部流場分布

在設(shè)計操作壓力下，錐線氧槍及曲線氧槍二者內(nèi)部速度分布如圖2所示，結(jié)果表明，曲線氧槍(見圖2(a))在喉管處速度發(fā)生階躍式跳變，即從300 m/s變化到350 m/s。而錐線氧槍(見圖2(b))在喉管處速度保持穩(wěn)定，處于250 m/s。分析其原因為，錐線氧槍的收縮段與喉管部分呈尖角形銜接，其可等效為收縮段與喉口處的橫截面積突然擴大，導(dǎo)致在壁面附近形成復(fù)雜的波系，即膨脹波。喉管附近流場發(fā)生突變，說明射流存在激波或者膨脹波，發(fā)生這種現(xiàn)象的原因是噴孔在不滿足設(shè)計參數(shù)的條件下工作。由于曲線拉瓦爾氧槍喉管處的流線比較順滑，所以氣體流速在氧槍內(nèi)部分布比較均衡，波系形狀相同，不存在復(fù)雜波系。

圖2 不同結(jié)構(gòu)拉瓦爾氧槍內(nèi)部流場分布

3.2 氧槍結(jié)構(gòu)的速度場分布

圖3(a)為錐線氧槍與曲線氧槍在操作壓力為1.0 MPa時射流軸線上速度的變化情況。結(jié)果表明，在操作壓力為1.0 MPa條件下，錐線氧槍與曲線氧槍的射流速度核心段長度分別為0.4 m和0.75 m左右，曲線氧槍的平均速度核心段長度約為錐線氧槍的1.8倍，因此，曲線氧槍可以有效提高射流沖擊能力。

圖3(b)為錐線氧槍與曲線氧槍在操作壓力為1.0 MPa時射流徑向速度的變化情況。結(jié)果表明，錐線氧槍與曲線氧槍的徑向速度衰減趨勢一致，均呈直線式下降，并且，曲線氧槍的徑向速度曲率更大，速度變化幅度也更大。對于曲線氧槍和錐線氧槍的射流區(qū)域分布分別為0.22 m和0.1 m，曲線氧槍的射流區(qū)域?qū)挾葹殄F線氧槍的2.2倍，由此分析，曲線氧槍可有效提高射流與熔池的接觸面積，從而改善氧氣射流的脫磷與脫碳效果。

圖3 不同結(jié)構(gòu)拉瓦爾氧槍的速度場分布

3.3 不同操作壓力下氧槍內(nèi)部速度場的分布特征

圖4為錐線氧槍和曲線氧槍在不同操作壓力下射流中心線上的速度變化曲線。對于錐線氧槍，在壓力為0.8，1.0，1.2 MPa時的核心區(qū)長度近似為0.64，0.75，0.82 m；對于曲線氧槍，在壓力為0.8，1.0，1.2 MPa時核心區(qū)長度近似為0.70，0.76，0.90 m左右，由此分析得知：操作壓力對射流的核心區(qū)長度的變化較為顯著。在同一操作壓力條件下，曲線氧槍與錐線氧槍相比，其射流速度明顯更大。綜上分析表明，改變操作壓力既能夠提高射流速度，又能夠明顯改善核心區(qū)長度；優(yōu)化氧槍結(jié)構(gòu)，對核心區(qū)長度和射流速度均有所提高，能夠提升熔池沖擊面積，從而改善冶煉效果。

圖4 不同氧槍結(jié)構(gòu)，在不同操作壓力下的軸向速度分布曲線

圖5為不同氧槍結(jié)構(gòu)在不同操作壓力下的徑向速度分布，結(jié)果顯示，錐線氧槍比曲線氧槍的徑向速度下降曲率更大，且在出口處徑向速度達到最大值，波動范圍不大。隨著操作壓力的升高，徑向速度下降曲率增大，相應(yīng)徑向速度也隨之升高。在相同操作壓力下，曲線氧槍和錐線氧槍相比，徑向速度下降曲率明顯減小，且射流區(qū)域?qū)挾让黠@增加120 mm左右，從而提高射流與熔池的接觸面積。

4 結(jié) 論

(1)數(shù)值模擬結(jié)果表明，在相同工況下，基于特征線法設(shè)計的曲線拉瓦爾氧槍喉口處的弧線結(jié)構(gòu)能夠有效改善氧槍內(nèi)部流場穩(wěn)定性，減少激波或膨脹波等復(fù)雜波系的發(fā)生，提高了氧氣射流的超聲速段長度，從而優(yōu)化氧氣射流對熔池的攪拌效果。

圖5 不同氧槍結(jié)構(gòu)在不同操作壓力下徑向速度分布曲線

(2)設(shè)計操作壓力為1.0 MPa，在保證壓力在20%上下波動范圍內(nèi)，分別研究了操作壓力為0.8，1.0，1.2 MPa的條件下，錐線氧槍與曲線氧槍的軸向速度的分布特征。結(jié)果表明，隨著操作壓力的升高，曲線氧槍的軸向速度較錐形氧槍均有提高且操作壓力對氧氣射流的核心區(qū)長度有很大影響，相比錐形氧槍，曲線氧槍的射流核心區(qū)長度有明顯提高，從而有效提升氧氣射流對熔池的沖擊面積，改善冶煉效果。

(3)隨著操作壓力的提高，氧氣射流的徑向速度隨之提高，然而射流的徑向速度下降曲率會隨之增大；在相同操作壓力條件下，曲線氧槍與錐線氧槍相比，徑向速度的下降曲率變緩，且射流區(qū)域?qū)挾忍嵘?20 mm左右，能夠有效提高氧氣射流與熔池的接觸面積。