RH真空精炼吹氩参数对循环流动影响的数值分析(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学真空与流体工程研究中心 作者:王晓冬

  为研究RH真空脱气过程中的流动行为,建立了描述气泡驱动下的RH 循环气2液两相流动的数学模型。基于欧拉-欧拉两流体模型,利用计算流体力学(CFD) 商业软件FLUENT6.0 ,对不同充气量条件下的循环流量进行了预测。计算结果与实验数据的比较表明两者具有较好的一致性。应用该模型对充气压强与循环流量、充气量与上升管内气相及液相速度分布关系进行了数值模拟,用以理解其中的流动规律,为工程技术改进提供参考。

  RH钢液循环脱气装置是真空精炼中处理量最大、处理效果最好、功能最多、发展最快的设备 ,是当前实现大批量制取纯净钢材的主要工艺手段,其工作原理见图1 。上部的精炼室(真空室) 被多级水蒸汽喷射泵抽空形成负压,钢包中的钢水在大气压的作用下进入真空室。氩气由左侧上升管吹入,钢水在氩气的驱动下,形成由上升管流入、下降管流出的钢水循环过程,完成有害组分(非金属夹杂物)的分离与排除,有效组分(合金元素、冶炼粉剂) 的混合与均匀。RH 循环脱气是基于氩气驱动的气-液多相流动问题,钢水的流动行为是能否高效获得高质量钢材的决定性因素。

RH 真空精炼装置工作原理简图

图1  RH 真空精炼装置工作原理简图

  由于RH真空循环脱气过程很难进行实际测定,人们常常采用数值模拟和物理模型实验相结合的研究方法,探讨驱动气体参数、上升管、下降管几何参数等对流动过程的影响,为实际工程应用提供设计或改进方案。近年来,采用数值模拟技术研究和分析真空领域中相关问题开始得到重视,数值计算理论不断完善,数值模拟能力不断提高。计算流体力学(CFD) 已经可以求解复杂的流动和传热问题,其丰富的可视化预测结果,为复杂流动问题的理解和分析提供了极大的帮助,对真空精炼过程的数值模拟同样具有重要价值。现有对RH 真空精炼的理论分析和数值模拟中多将钢包和真空室分开来讨论,对钢包内钢水流动 、真空室内的脱碳反应等进行模拟。本文将讨论吹氩流量和压力对RH 循环的影响,为充气参数优化提供参考。

1、数学模型

  到目前为止,欧拉-欧拉两流体模型被认为是描述两相流系统宏观流动的最好方法。本文采用基于欧拉方法的两流体模型,对RH 循环流动过程进行模拟。

1.1、基本假设

  (1)流动过程为等温流动; (2)液相为不可压缩粘性流体,壁面处无滑移; (3)流动状态为泡状流;(4)气液两相间的动量传输以相间作用力为主; (5)同一计算域内两相的压强相等。

1.2、质量守恒方程

  等温条件下两相之间无质量传递,两相流动的连续性方程为:

  其中,α、ρ和v 分别为气(液) 含率、密度和速度。下标i = l 或g 表示液相或气相。

1.3、动量守恒方程

  气、液两相存在速度梯度,考虑相间相互作用力,两相流动的动量方程为:

  其中, Fi 为总的相间力, g 为重力加速度矢量, P 为压强。

  在等温气-液两相流动中,表面动量传递在动量方程中起主导作用,本文考虑的相间作用力主要由牵引力、上升力组成:

  其中, Flg为气相对液相的动量传递, Fgl为液相对气相的动量传递。

  牵引力函数采用Ishii 和Zuber 模型:

  其中, CD 为牵引系数, aif 为相间表面积浓度(单位体积中的相间面积,与气泡表面几何结构相关) 。上升力与气液两相的相对速度以及流体速度相关,为 :

  其中, CL 为上升力系数。

2、数值模拟

  按照相似准则建立几何模型,为分析和比较方便,本文采用真空技术网另外一篇文章中给定的RH物理实验模型,具体几何参数和尺寸见表1。模拟流体为水和氩气。

表1  RH 几何模型的主要几何尺寸

RH 几何模型的主要几何尺寸

  采用非结构化三维六面体网格对计算域进行网格划分, 网格数量为19077 个。以FLU2ENT6.0 为计算平台,对于真空室,取上升管和下降管入口所在平面为x - y平面, 上升管与下降管圆心联线的中点为坐标原点,垂直于x - y 平面向上为z 轴正向;充氩管管口处为气相速度入口,气泡直径为5mm ,气含率为1 ;上升管入口处为液相速度入口,液含率为1 ,速率设定为0.1m·s - 1 ;自由液面处为压强入口;下降管出口处为压强出口。对于钢包,取钢包底面圆心为坐标原点,钢包底面所在平面为x - y 平面,z 轴正向向上;与下降管出口相接的圆面为速度入口,速率由真空室出口条件确定;与上升管入口相接的圆面为速度出口;自由液面处为压强入口。采用标准k - ε模型求解流动控制方程,得到RH 真空精炼循环流动的影响因素和相关流动规律。

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