两流非对称中间包不同湍流控制器流场的物理模拟研究
大气工程中的各向同性与非各向同性湍流模拟
大气工程中的各向同性与非各向同性湍流模拟大气工程中的湍流模拟是一个重要的研究领域。
湍流是大气中常见的现象之一，它对于气象、空气污染和气候变化等方面都有着重要的影响。
而要研究湍流现象，就必须使用湍流模拟来进行分析。
湍流的模拟可以分为两种情况：各向同性湍流和非各向同性湍流。
各向同性湍流是指在三个空间方向上的湍流特性是相同的。
这种湍流模拟较为简单，因为不需要考虑方向的变化。
在大气工程中，各向同性湍流模拟通常用于研究大规模气流的运动和传输过程。
例如，通过模拟各向同性湍流，可以了解空气中颗粒物的扩散和输送规律，从而对空气污染的传播和控制有所帮助。
非各向同性湍流则是指在三个空间方向上的湍流特性不同。
这种湍流模拟相对复杂，需要考虑各个方向上的变化。
在大气工程中，非各向同性湍流模拟常常用于研究细小尺度的湍流结构和特性。
例如，在飞行器设计中，需要对飞机表面的气动特性进行模拟分析，而这种特性受到非各向同性湍流的影响。
另外，非各向同性湍流模拟还可用于研究气候变化方面的问题，如海洋混合层的形成和演变等。
湍流模拟的方法有很多种，其中最常用的是基于数值模拟的方法。
数值模拟方法通过在计算机上建立代表湍流特性的方程组，并使用数值算法进行求解，从而得到湍流的解析结果。
数值模拟方法的优点是可以对湍流进行全面的分析，但缺点是计算量大，对计算机性能要求较高。
除了数值模拟方法外，湍流模拟还可以通过实验方法进行。
实验方法通过设计合适的试验设备和测量方法，来获取湍流现象的数据。
其中最常用的实验方法是风洞实验和水槽实验。
风洞实验是通过模拟大气流动环境来研究湍流现象，而水槽实验则是通过模拟水流来研究湍流现象。
这些实验方法的优点是可以获得真实的湍流数据，但缺点是受到实验条件和测量误差的限制。
综上所述，大气工程中的湍流模拟是一个复杂而关键的研究领域。
通过各向同性湍流和非各向同性湍流模拟，可以对大气中的湍流现象进行分析和研究。
数值模拟和实验方法是湍流模拟中常用的方法。
(完整word版)湍流模型理论
湍流模型理论§3.1 引言自然界中的实际流动绝大部分是三维的湍流流动，如河流,血液流动等。
湍流是流体粘性运动最复杂的形式，湍流流动的核心特征是其在物理上近乎于无穷多的尺度和数学上强烈的非线性，这使得人们无论是通过理论分析、实验研究还是计算机模拟来彻底认识湍流都非常困难。
回顾计算流体力学的发展,特别是活跃的80年代，不仅提出和发展了一大批高精度、高分辨率的计算格式,从主控方程看相当成功地解决了Euler方程的数值模拟,可以说Euler方程数值模拟方法的精度已接近于它有效使用范围的极限；同时还发展了一大批有效的网格生成技术及相应的软件，具体实现了工程计算所需要的复杂外形的计算网格；且随着计算机的发展，无论从计算时间还是从计算费用考虑，Euler方程都已能适用于各种实践所需。
在此基础上，80年代还进行了求解可压缩雷诺平均方程及其三维定态粘流流动的模拟。
90年代又开始一个非定常粘流流场模拟的新局面，这里所说的粘流流场具有高雷诺数、非定常、不稳定、剧烈分离流动的特点，显然需要继续探求更高精度的计算方法和更实用可靠的网格生成技术.但更为重要的关键性的决策将是，研究湍流机理,建立相应的模式，并进行适当的模拟仍是解决湍流问题的重要途径。
要反映湍流流场的真实情况,目前数值模拟主要有三种方法：1。
平均N-S方程的求解，2。
大涡模拟（LES），3。
直接数值模拟（DNS)。
但是由于叶轮机械内部结构的复杂性以及目前计算机运算速度较慢，大涡模拟和直接数值模拟还很少用于叶轮机械内部湍流场的计算,更多的是通过求解平均N-S方程来进行数值模拟。
因为平均N-S方程的不封闭性，人们引入了湍流模型来封闭方程组,所以模拟结果的好坏很大程度上取决于湍流模型的准确度。
自70年代以来，湍流模型的研究发展迅速，建立了一系列的零方程、一方程、两方程模型和二阶矩模型，已经能够十分成功的模拟边界层和剪切层流动。
但是,对于复杂的工业流动，比如航空发动机中的压气机动静叶相互干扰问题，大曲率绕流，激波与边界层相互干扰，流动分离，高速旋转以及其他一些原因，常常会改变湍流的结构，使那些能够预测简单流动的湍流模型失效，所以完善现有湍流模型和寻找新的湍流模型在实际工作中显得尤为重要。
十二流中间包的物理模拟
的 ． 中问包 内流 体 的流 动 视 为 黏性 叮 缩 流 将
同 内首台 。 想 达 到 埘包 内流场 的 『 ． 衡各 尤化 均
动 ． 体 流 动 处 于 第 二 白模 化 区 时 ， 据 相似 原 流 根
程 杨
模 型与原 型之 问对应 角度相 等 ， 应 长度呈 比例 ； 对 动力相 似是 两系统 中相 应位置 上 的力存 在 固定 比
例 ； 动相似 是指 两 系统 对应点 的 流动方 向相 同 、 运
速 度大 小呈 比例 。
描 述 中 问 包 内 钢 液 的 流 动 ， 钢 液 流 动 时 所 与 受 的 力 有 关 ， 惯 性 力 、 力 、 滞 力 等 。 而雷 诺 如 重 黏
维普资讯
弟３ ０卷第 ５期
２ ０ ０７ １ ０门
武 汉 科 技 人 学 学 报 （自 然 科 学 版 ）
Ｊ ｆＷ ｕ ａ ｉ ｆＳ ｉ８ ．ｏ ｈ ｎ Ｕｎ．ｏ ｃ． Ｔｅ ｈ （ ｔ ｒ ｌ ｃｅ１ｅＥｄｔｏ ） ｃ ． Ｎａ ａ ｉｌ ｉｉｎ Ｌ Ｓ ｌ ｃ
冲击 点 到 最 远 一 个 水 ［ 的 距 离 有 ６１ 之 多 ， 以 １ ２ ＂ １ 所 流 场 控 制 难 度 很 大 ． 流 装 置 必 须 特 殊 研 究 ， 也 控 这
是本 文耍解 决 的问题 。
本 试验 选 取 比例 系数 为 ｌ ３的 缩 小 比例 模 ／
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流 之 问的平均 停 留 『 卡【 ｆ １ 【 ｆ 各流 温 吱 ． 于 各流 成 利
四流连铸中间包内流体流动行为的物理模拟
ｓ ｕ ｔｒ （ ｏｅ ｏ ａ ｄ Ｉ ｎｆ ｉ ｆ ｗ ｃ ａａ ｔｒ ｔ ｎ ｉ ｙ ｉａ ｓ ｌ ｉｎ ｔｏ ． ｔ ａ ｅ ｏ ｃｕ ｉ ｓ ｓ ｏｌｗ ｄ ｔ ｃ ｅ ｈ ｌｓ ｎ ｍｅ ｎ ）ｏ ｕｄ ｏ ｒｃｅｉ ｉ ｉ ｔ ｄｓ ｂ ｐ ｓ ｌ ｉ ａ ｏ ｈ ｄ Ｉｃ ｍｅ ｏ ｈ ｎ ｌｓ ｎ ｌ ｅ ． ｒ ｕ ｂ ａ Ｔ ｌ ｌ ｈ ｓ ｃ ｎ ｕ ｈ ｙ ｈ ｃ ｍｕ ｔ ｍｅ ｔｔ ｃ ｏ ａｆ ｏ
随着连铸技术的 发展 ， 中间包的冶金功能 已由最初
其是大尺寸夹杂物上浮去 除，提高钢 液的洁净度 。对于
的对钢液 的分 流、减压 、连浇扩展到控制钢液成分 、温
度 ，促进 非金 属夹杂 物上浮等 。中间包冶金 已成 为洁净 钢生产工艺 中不可忽视的环节之一Ｅｚ ｌ］ －。选用合适的控流
五流大方坯中间包控流装置优化的数值和物理模拟
特殊 钢
Ｓ ＰＥＣＩ ＴＥＥＬ ＡＬ Ｓ
Ｖｏ ． １３３． ． Ｎｏ ４
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五流 大 方 坯 中间包 控 流装 置 优 化 的数 值 和 物理 模 拟
罗 荣华。 倪 红 卫 张 华 赵 中福。 陈迪 庆
３ ｕ ｄ ｓ ｒｆ ｅ ｓｒ ｎ ８ ５ ｔｔｎ ｉｈ ｆ ｖ ．ｔａ ｄ ２ ０ ｍｍ ×３ ０ ｍｍ ｌ ｏ ．ｔ ｅ ｅｆｃ ｆｄ ｆ ｒ ｎ ｏ ｏ ｔｏ ｅ ｉｅ ｏ ｏ ｈ ｒ ｃｅ ｉ ｉｓ ｏ ｏ ｉ ５ ｂ ｏ ｍｓ ｈ ｆ ｔｏ ｉ ｅ ｅ ｔｆ ｗ ｃ ｎ ｒｌ ｄ ｖｃ ｎ ｆ ｗ ｃ ａ ａ ｔ ｒ ｔ ｆ ｅ ｆ ｌ ｌ ｓｃ
ｌｑ ｄ ｉ ｕｎ ｓ ｈ ｅ ｎ ｓｕｄｅ ｙ ｎ ｉ ｕｉ ｎ ｔ ｄｉｈ ａｓｂ ｅ ｔ ｉｄ ｂ ｕｍｅ ｉａ ｉ ｕ ａｉｎ ａ ｔｒｍｏ ｅ ｉ ｌ ｔ ｎ ｔ ｅ ｍｅｆｃ ｌｓｍｉａ ｔ ａｉ ３ ｒｃ ｌｓｍ ｌｔｏ ｎｄ ｗａｅ ｄ ｌｓｍｕ ａｉ ｗｉｈ ｇ ｏ ｔ ａ ｉ ｌｒ ｙ ｒｔｏ １： ｏ ｉ ｉ
拟 和几 何相似 比１３ ：水模 型模 拟 ， 研究 了控 流装 置对 中间包钢 液流 动特性 的影 响， 优化 中问包 流场 。结果 表明 ， 原 型 中间包控流装置结构不合理 ， 各流一致性差 ， 其第 ３流短路流 明显 ； 用中墙开两孔 的 ２挡 墙 ＋圆形加檐 的 Ｂ 尤 采
型湍流控 制器后 ， 各流一致性 明显改善 ， ３流短路 流消除 ， 第 其平均停 留时 间延 长 了 ２ ２ １ｓ同时 中间包活塞 区体 ４ ． ，
Ａｂ ｔａ ｔ Ｉ ｃｏｄ ｎ ｅｗ ｔ ｈ ｔｔｓｏ ｉｈ ｒｊｃ ａｅｉ ｏ ｄ ｓ ｕ ｔ ｅｔｓ ｏ ｉｄｓｒｎ ｌｏ ｃ ｓ ｎ ｔ ｓｒ ｃ ｎ ａｃ ｒ ａ ｅ ｉ ｔｅｓ ｕ ｆ ｇ ｅｅ ｔ ｔ ｎ ｎ ｎ ｅｔ ｃｉ ｅｔ ｆｔ ｒ ｔ ｄ ｂｏ ｍ ａｔ ｇｗｉ ａ ｈ ａ ｈ ｒ ｒ ｖ ｈ ａ ｉ ｈ
中间包的物理模拟
中间包的物理模拟11研2 马艳杰中间包是一个上承钢包下接结晶器的中间存储和分流容器，其内的许多冶金过程受控于钢水在中间包内的流动状态，而钢水在中间包内的停留和流动状态要受钢包和结晶器工作状态的影响。
其中重要的因素之一是体系内温度状态和反应器之间的温差。
在连铸浇注系统中，减少钢水的二次氧化和脱氧产物，一提高产品质量的工艺开发中，物理模型起到了重要作用。
一、中间包的作用综述中间包的作用，主要有：1．合理储存钢水，按工艺要求进行有效分流，保证顺利开浇、停浇和换包，实现对连铸机均衡、连续和稳定的供给钢水；2．防止钢水再次污染，即抑制二次氧化、减轻耐火材料侵蚀、减少渣的卷入以及渣中不稳定氧化物的危害；3．改善钢水流动条件，防止短路流动，减小死区，改进流动方向，增加钢水的停留时间，改善夹杂物上浮和去除的条件；4．选择合适的包衬耐火材料和熔池覆盖剂，减轻热损失，利于上浮夹杂物的排出；5．控制好钢水温度，必要时再加热，使钢水过热度保持稳定。
二、中间包内钢水流动特征钢水的流动会影响中间包内钢水的分流、影响钢水散热和温度变化、影响夹杂物上浮和排除，以及影响钢水成分的均匀程度等。
流体在容器内的流动模式分为几种：1．如同一时刻进入容器的流团均在同一时刻离开容器，它们不会与进入容器的其他流团混合，这种流动模式称为活塞流；2．当流团一进入容器，立即与其他流团完全混合，分不出进入容器的先后，这种流动模式称为全混流；3．短路流指进入容器的部分流体立即通过容器，停留时间很短或几乎为零；4．死区指容器内停留时间大大超过理论平均时间停留时间的那一部分流团。
中间包工作时，钢水在重力作用下，流入和流出是流速很大。
而在体积和流通面积大得多的中间包熔池主要部分，流速很小。
中间包熔池内各部分的钢水温度在时间和空间上并不均匀，而且一直变化。
较高温度的钢水注入中间包后，在注入区形成温度较高的区域，这样，在注入区与中间包主体熔池之间，可能产生明显的温度梯度。
PO6016《湍流两相流动的模化与数值仿真》 课程教学大纲
2、掌握两相流的相似理论及模化方法，具备对两相流工程实际问题进行模 化设计与相似分析的能力。（A5.1、A5.4、B2、B4.1、B4.2）
的应用”和“基于数值仿真的热力新产品开发”，并开展课程陈述与讨论。通过面 向解决实际工程问题的课程实践，能够开拓学生的思路，教会他们运用理论知识 和科学的研究方法解决实际的科学技术问题，进行严格的科研训练和具备良好的 科研素质。
专题讲座 本课程将设置三次专业讲座，并通过工程案例分析具体讲解湍流两相流动的 模化方法和数值仿真技术，包括两相流模化方法、两相流数值仿真技术及其在工 程设计与产品开发中的应用。 四、考核与评估 课程得分比例如下：
1
课堂出席
10%
2
个人作业
15%
3 大作业（专题研究）
60%
4
课程陈述与讨论
15%
课堂出席 学生课堂出席成绩根据学生在课堂上的表现确定，包括出席、讨论、课堂练 习和表现等。评价课堂出席情况的标准包括参加者是否很好地倾听课程、能否积 极地参与课堂讨论、参加者的表达是否简洁和明确、能否有见地的分析案例和提 供清楚的论证。 个人作业 本课程在重点章节布置 4-6 次课后作业，主要是巩固已学基本概念和基本理 论，并运用基本知识解决关键问题，也推荐学生阅读经典的科技文献和综述。根 据作业完成情况和正确性评定成绩。 大作业（专题研究报告） 大作业（专题研究报告）是针对能源动力两相流工程实际问题开展专题研究，
出版商：
科学出版社
出版年：
1994
参考书目： Clement Kleinstreuer. Two-Phase Flow: Theory and Application, Taylor & Francis Group, New York, London, 2003 ISBN: 1-59169-000-5
4流大方坯45t中间包流场的物理模拟和冶金效果
合金 结 构 钢 、 轮 钢 等 。 齿
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特 殊 钢
第 ３ ３卷
以钢 厂 ４流 中间 包 为 模 拟 对 象 ， 作 了 一 个 水 制
ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｆ ｒ４．ｔａ ０ ｍ ｍ ×５３ ｍ ｌ ｏ ｃ ｓｅ ｔｓｅ ｌｗｏ ｋｓｈａ ｅ ａ ｒｅ ｕ ｙ ｕ ｉ ｇ ｇ ｏ ｔｉ ｉ ｉａ ｉｙ １： ｔｕ ｔ ｒ ｏ ｓｒ ｎｄ ４１ ０ｍ ｂ ｏ ｍ ａ ｔ ｒａ ｔ ｅ ｒ ｓｂｅ ｎ ｃ ｒｉｄ ｏ ｔｂ ｓｎ ｅ ｍｅ ｒｃ ｓｍ ｌ ｒｔ ３ ｗａ ｅ ｄ ｌｔ ｅ ｐ ｉ ｍ ｏ ｏ ｔｏ ｅ ｉ ｅ ．Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔ ａ ｎ ｏ ｄ ｒｔ ｅ ｈ ｅ ｕ ｒ ｍｅ ｔｏ ｏ ｉｌ ｎ ｔ ｒｍｏ ｅ ｏ ｇ ｔ ｔ ｏ ｍｕ ｆ ｗ ｃ ｎｒ ｌｄ ｖ ｃ ｓ ｌ ｓ ａ ｃ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｈ ｔ ｒ ｅ ｏｍｅ ｔ ｅ ｒ ｑ ｉｅ ｎ ｆ ｗ ｆ ｄ ｉ ｓ ｉ ｔ ｌ ｆ ｅ ｔ ｄｉｈ ｆ ｒ４一 ｔａｎ ｌ ｏ ．ｔ ｐ ｉ ｉｅ ｓ ｏ ｃ ｎ ｒ ｌｄ ｖ ｃ ｒｔ ｅ ｔ ｎ ｓ ｔ ｈａ ｎｅ ｙ ｅ ｉ ｄｕ ｔｏ ｅ ｔｎｇｕｎｉ ｉ ｕｎ ｓ ｏ ｓｒ ｄ ｂ ｏ ｍ ｈｅ ｏ ｔｍ ｚ ｄ ｂｅ ｔｆ ｗ ｏ ｔｏ ｅ ｉ ｅ ｆ ｈ ｕ ｄｉｈ ｗｉｈ ｃ ｎ ｌｔ ｐ ｎ ｃ ｉｎ ｈ ａ ｉ ｔ Ｓ ｌ ｏ ｄｆｅ ｅ ｔｆｏ ｔ ｔｆ ｒｔ ｅ ｔ ｄｉｈ ｗｉｈｏ ｈ ｎｎ ｌｔ ｐ ｎ ｃ ｉｎ ｈｅ ｔｎ ｉ． Ｆｏ ｈｅ ｔ ｄｉｈ ｗｉｈ ｕｔｃ ａ ｅ ｙ ｎ ｕｃ ｉｆ ｒ ｎ ｒ ｍ ｈａ ｈ ｕｎ ｓ ｔ ｕｔｃ ａ ｅ ｙ ｅ ｉ ｄｕ ｔｏ ａｉ ｇ ｕｎ ｔ ｏ ｒ ｔ ｕｎ ｓ ｔ ｏ ｈ ｎｎ ｌｔｐｅ ｉ ｄ —
非对称翅片管换热器的实验及流场分析
非对称翅片管换热器的实验及流场分析王云雷;杨心慰;刘博涛;时颖【摘要】提出设计一种新型非对称翅片管式换热器,通过对非对称式翅片管不同工况进行实验,研究其传热过程和传热效果.通过对传热系数的计算,比较其与环状翅片管管束和光管管束的传热性能.并且利用ANSYS对三种换热器进行数值模拟,分析其流场.结果表明:非对称翅片管对流体的扰动要强于环状翅片管和光管,在相同参数条件下,非对称翅片管换热器的换热效果优于环状翅片管和光管式换热器.【期刊名称】《河北建筑工程学院学报》【年(卷),期】2016(034)004【总页数】6页(P65-70)【关键词】非对称翅片管;换热效果;流场分析【作者】王云雷;杨心慰;刘博涛;时颖【作者单位】河北建筑工程学院能源与环境工程学院,河北张家口075000;河北建筑工程学院能源与环境工程学院,河北张家口075000;河北建筑工程学院能源与环境工程学院,河北张家口075000;河北建筑工程学院经济与管理学院,河北张家口075000【正文语种】中文【中图分类】TU83翅片管式换热器在动力、化工、制冷等工业中有广泛的应用[1]，用翅片扩大换热管表面积和促进介质的紊流，从而提高传热效率，直至目前这一方法仍是所有各种管式表面强化传热方法中运用最为广泛的一种.几十年来，人们在改进翅片形状、管束排列方式等方面进行了大量研究[2-10].按翅片表面形式的分布，换热器可分为对称翅片和非对称翅片.非对称翅片主要包括管中心距翅片两边距离不相等的非对称翅片和开缝形式非对称的翅片[11].目前，关于开缝式非对称翅片管换热性能的数值模拟的研究有一些[12-14]，但是对管中心距翅片两边距离不相等的非对称翅片的研究却不是很多，这种非对称翅片符合上述强化传热的方法.因此，本文设计了一种设计非对称翅片管换热器，对其进行实验并且通过数值模拟分析其流场，研究其强化传热.1.1 换热器设计本文设计的非对称翅片的形状和管束排布如图1、2和3，箭头方向为气体来流方向.11根铸铁材料的翅片管错列分布，第一层和第三层各有4根管子，中间一层3根管子，中间层的管束与上下两层错列布置，并且其翅片与上下两层的翅片叉排布置，组成换热器.每层管束之间用连箱连接，并联在一起.热水由一侧进入，由三根管子分别进入三层管束，从另一侧流出汇集到一起返回水箱.在翅片顶端及根部布置测点，并且用K型热电偶对测点、换热器水侧和空气侧进出口进行温度测量，并且为确保准确性，多次测量求得平均值.对流换热系数采用计算式：h=φ/AΔt式中：φ——换热量； A——换热面积；Δt——传热温差.实验流程：水在水箱中经过加热，通过水泵进入换热器的管束中，风机直吹换热器表面，翅片延伸方向迎着来流空气，空气与翅片和水形成强制对流换热，水从换热器出口流出，流回水箱.1.2 实验结果本实验做了一下4种工况：以非对称翅片管换热器翅片管总表面积A(A=0.881 m2)为基准求得对流换热系数ht，以光管外表面积As(As=0.414 7 m2)为基准求得对流换热系数hs，如表2. 为了对比，根据参考文献[16]和[17]中推荐的公式分别对相同参数条件下的光管管束和环形翅片管管束的换热系数进行理论计算.由于文献中所给公式是在最佳条件下所得，因此理论计算光管和环形翅片管束的对流换热系数要优于对其进行实验所得的结果.对比结果如下：1)相同参数条件下，非对称翅片管换热效果优于光管管束.2)相同参数条件下，非对称翅片管换热效果优于环状翅片管束.2.1 流体模型为了更好地进行理论分析，选取了所有管子的一段，利用ANSYS进行数值模拟，对其进行流场分析，其中上下两排带两个翅片，中间一排载有一个翅片.如图7. 流体模型为长方体：x:-0.17～0.07 m;y:-0.21～0.07 m;z:-0.001～0.029m布尔运算Substract减去中间的翅片管模型，得到流体模型，如图8.由于非对称肋片的不规则形状，因此采用自由网格free的划分形式.网格结果如图9.2.2 结果分析为了更好的进行分析，相同条件下，对环状翅片管以及光管换热器也进行了数值模拟.1)与环状翅片管进行对比.对风速3.68 m/s情况流场进行模拟，z=0.006 m(非翅片所在截面)截面的速度云图如下：由图10可以看出，环状翅片管束的蓝色部分速度很小、接近为零的尾流区比非对称翅片管束的多，说明环状翅片管束中，低速旋涡区中的尾迹流与分流束之间的混合没有非对称翅片管强，从而更加影响换热效果，进而证明了非对称翅片管的换热优于环状翅片管.z=0.001 m(翅片所在截面)截面的速度云图如下：由以上两图可知，在翅片所在平面，环形翅片管束中速度变化较小，而非对称翅片管束中速度变化相对剧烈，扰动更强，可以加强换热效果.2)与光管管束对比.在风速为3.68 m/s条件下，对光管管束进行流场模拟，其结构尺寸与非对称翅片管束相同.z=0.006 m(非翅片所在截面)截面的速度矢量图如下：z=0.001 m(翅片所在截面)截面时的速度矢量图如下：由以上四图可以看出，在z=0.006 m截面时，二者的尾流区大致相同，而在z=0.001 m时，非对称翅片管束的尾流区减小，而且非对称翅片管束中的速度变化较大，最高速度达到12.16 m/s，光管管束速度变化则相对较小，最大速度为7.1 m/s.因此，在非对称翅片管束中，流体的扰动要强于光管管束，换热较好.1)实验证明了在一定条件下，非对称翅片管式换热器的换热效果优于环状翅片管以及普通光管式换热器.2)通过进行数值模拟，对所设计的换热器进行流场分析，从理论上证明了在非对称翅片管换热器中，流体的扰动效果较好，证明了该种换热器的优越性.【相关文献】[1]田丽亭，何雅玲，楚攀，等.不同排列方式下三角翼波纹翅片管换热器的换热性能比较[J].动力工程，2009，29(1)：78～83[2]康海军，李娬，李惠珍，等.平直翅片管换热器传热与阻力特性的实验研究[J].西安交通大学学报，1994，28(1)：91～98[3]Ricardo R M，Mihir Sen，Yang K.T.，et al.Effect of fin spacing on convection in a plate fin and tube heat exchanger[J].Heat Mass Transfer，2000，43：39～51[4]傅明星.双排平直翅片管换热器换热和流动性能的三维稳态模拟[J].西安交通大学学报，2008，28(3)：536～541[5]M.Abu.Madi，R.A.Johns，M.R.Heikal.Performance characteristics correlation for round tube and plate finned heat exchangers[J].International Journal of Refrigeration，1998，21(7)：507～517[6]辛荣昌，李慧珍，康海军，等.三角形波纹翅片管传热与阻力特性的实验研究[J].西安交通大学学报，1994，28(2)：77～84[7]Wang Chichuan.Heat transfer and friction characteristics of typical wavy fin-and-tube heat exchangers[J].Experimental Thermal and Fluid Science，1997，14(2)：174～186 [8]张慕瑾，史美中，杨贤骏.翅片管换热器的翅片效率与传热性能[J].东南大学学报，1994，24：44～49[9]Wang Chichuan，Chi Kuanyu，Chang Yujuei.An experimental study of heat transfer and friction characteristics of typical louver fin-and-tube heat exchangers[J].Heat and Mass Transfer，1998，41(4)：817～822[10]Wang Chichuan，Lin Yur Tsai，Lee Chi Juan.Heat and momentum transfer for compact louvered fin-and-tube heat exchangers in wet conditions[J].Heat and Mass Transfer.2000，43(15)：2681～2691[11]赵建会，李磊.非对称翅片管换热器最佳中心位置的数值分析[J].西安科技大学学报，2011，31(4)：403～407[12]金巍巍，屈治国，张超超，等.空调蒸发器用管翅式换热器开缝翅片的数值设计[J].工程热物理学报，2006，27(4)：688～690[13]Kang Hie Chan，Kim Moo Hwan.Effect of strip location on the air-side pressure drop and heat transfer in strip fin-and-tube heat exchanger[J].International Journal of Refrigeration.1999，22：302～312[14]Wang Chichuan，Lee Weisong，Sheu Wen Jenn.A comparative study of compact enhanced fin-and-tube heat exchangers[J].International Journal of Heat and Mass Transfer.2001，44(18)：3565～3573[15]王云雷，何光艳，张保生.非对称翅片管式换热器管外对流传热强化实验研究[J].热力发电，2015，44(1)：34～38[16]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2006：256～263[17]周强泰，黄素逸.锅炉与热交换器传热强化[M].北京：水利电力出版社，1991。
k-kL两方程湍流模型的改进及验证研究
k-kL两方程湍流模型的改进及验证研究李广佳;李喜乐;张强;郝海兵;李典【摘要】提高湍流数值模拟的准确性,从而明确湍流模型对数值模拟结果的影响具有重要的意义,应用K.S.Abdol-Hamid给出的尺度自适应k-kL两方程模型封闭RANS方程,并修改von Karman长度尺度的限制方法,通过平板、翼型、后台阶等流动的模拟,考察k-kL模型在湍流模拟中的准确性,及其反映主要流动特征的能力和网格收敛性,并对影响流动模拟准确性的因素进行讨论.结果表明:改进长度尺度限制之后的k-kL两方程模型无论是对附着流动还是分离流动都可以给出比较准确的结果.【期刊名称】《航空工程进展》【年(卷),期】2016(007)002【总页数】7页(P209-215)【关键词】k-kL两方程湍流模型;RANS;von Karman长度尺度【作者】李广佳;李喜乐;张强;郝海兵;李典【作者单位】中国航天空气动力技术研究院第十一总体设计部,北京 100074;中国航天空气动力技术研究院第十一总体设计部,北京 100074;西北工业大学航空学院,西安 710072;中国航空计算技术研究所第七研究室,西安710068;中国航空计算技术研究所第七研究室,西安710068【正文语种】中文【中图分类】V211A.N.Kolmogorov于1942年提出的两方程湍流模型是研究所有基于统计平均的湍流模型的基础。
两方程湍流模型的概念反映了湍流研究的基本思想，即在平均流动中模拟湍流效应需要两个相互独立的湍流尺度变量，这两个湍流尺度可以通过各自的输运方程求解给出。
此外，两方程湍流模型也是其他更高阶湍流模型的基础和核心，例如雷诺应力模型、显式代数应力模型或者其他基于非线性应力-应变关系的湍流模型。
即使只采用涡粘系数作为唯一变量的一方程湍流模型(例如SA湍流模型[1])，也可以在平衡假设(Equilibrium Assumptions)的基础上，从两方程模型推导而来。
特殊非对称型12流35 t中间包的水模拟试验和控流装置的优化
茅晓慧 李京社 张江山 李杏林 黄远胜
（ 北京科技大学冶金与生态工程学 院 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ３ ）
摘ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
要
通过几何相似 比１ ： ３ 的水模型试验分析 了钢厂特殊非对称型 １ ２流 ２ ０ ０ ｍｍ ｘ２ ８ ５ ｍ ｍ铸坯 的３ ５ ｔ 中间
包的结构特点 ， 得 出原 中间包不对称度较大 ， 结构不 合理 ， 整体 混匀效果 和各流 的一致 性较差 ， 需要 设计有 效的控 流装置以改善其 内部流动 。水模拟结果表 明 ， 通过所设计 的相对 较大 的冲击区 和两个 导流孔 的优化方案 ， 使得 中
间包 的整体混匀效果和各流一致性都得到 明显 改善 ， 其总体死 区比例相对原型 的 ２ ７ ． ９ ６ ％降至 ８ ． ９ ４ ％； 其各流平均
停 留时间 的标准差降低 ７ ４ ％。
关键词 特殊非对称型 １ ２流 ３ ５ ｔ 中间包 优化控流装置 各流一致性 水模拟
Ｗａ ｔ ｅ ｒ Ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ Ｔｅ ｓ ｔ ０ ｆ ａ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ Ａｓ ｙ ｍｍｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ １ ２ ｓ ｔ ｒ ａ ｎ ｄ ３ ５ ｔ Ｔｕ ｎｄ ｉ ｓ ｈ ａ ｎ ｄ Ｏｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ０ ｆ Ｆｌ ｏ ｗ Ｃｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ Ｄｅ ｖ ｉ ｃ ｅ
两相流数值模拟(第5讲)-两相流数值模拟方法分类0420
如：颗粒动力学模型， 颗粒群模型等
（2）欧拉－欧拉方法： 如：均相模型 小滑移模型 分相模型 多流体模型
两相流数值模拟方法的分类
第三，介观层次的数值模拟方法。
（1）流体本来是由离散的分子所组成，通常将流体当作连续介质来 处理；
两相流数值模拟方法的分类
分子气体动力学模型
分类方法很多
离散的介观层次格子类方法
格子－气体（Lattice Gas）法 格子－波尔兹曼（Lattice Boltzman）方法
均相模型
气体动力学模型 颗粒群轨道模型 拟流体模型
均相模型
连续介质模型 Eulerian
这类方法从微观层次上将多相流看作是大量离散分子的集合，流体的运动特性 由这些离散分子的相关特性的统计平均来决定。
比较典型的如直接蒙特卡洛模拟(Direct Simulation Monte Carlo, DSMC )方 法，最近10余年内得到迅速发展。
这类方法由于需要对计算区域内每一个分子的力学行为进行描述与计算，因而 所需计算机内存很大，目前还无法应用到复杂流场计算中。
两相流数值模拟方法的分类
注意要点： ２）上述分类方法并不一定百分之百地科学，可有多种分类方法。
由于与单相连续介质力学模型的内在本质联系，经典的连续介质力学方法最易 为人们所理解和接受，直接推广和延伸到两相流应用领域。
连续介质力学方法是当今应用最为广泛的方法，连续介质力学模型可分为两类：
欧拉－拉格朗日方法 欧拉－欧拉方法
两相流数值模拟方法的分类
注意要点： １）在实际应用中，需要结合研究具体目标，灵活采用不同的方法及其组合。
三流中间包流场的物理模拟试验
当流 体稳 定 流 经 反应 器 时 ， 由于进 、 反应 器 出 遵循 质 量 守 恒 定 律 ， 应 器 内 的 流体 总 量 为 恒 定 反
值 。但 在某 一 时刻 ， 进入 反应 器 的定 量 流体 由于其
各部分 在 反应器 内所 运行 的路 径不 同 ， 以到 达反 所
做水 模 拟试 验 ， 过 Ｒ Ｄ曲线分 析 和 流场 观察 ， 通 Ｔ 找 出原 型 中间包存 在 的 问题 ， 合 生产实 际及 应用 的 结
水 模 型 即物 理模 拟是 遵循 相似 原理 以模 型 与 原 型之 间 的物 理 相似或 几何 相似 为基础 、 模型来 用 模 拟 原 型物 理现 象 的一 种模 拟 方法 。试验 模 拟 系 统如 图 １ 示 。 所
续测 量 ３ ， 次 取其平 均值作 为研究数据 。
２ 试验 方案
关键词 ： 中间包 ； 流场 ； 物理模拟 ； 挡渣墙 ； 湍流抑制器 中图分 类号： Ｆ ７ Ｔ ７７ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：０４ ４ ２ （０ １０ — ０ ０ ０ １０ — ６ ０ ２ １ ）２ ０ ３ — ４
莱 钢 特 钢流 中 间包 流 场 的物理 模 拟试 验
张利 平 ， 郑 艳， 范黎 明 ， 何庆文
（ 莱芜钢铁股份有限公 司， 山东 莱芜 ２ １０ ） ７ ４ １
摘
要： 以莱钢特殊钢厂三流 中间包为研究对象做水模拟试验 ， 通过 Ｒ Ｄ曲线 分析 和流场观察 ， Ｔ 结合生产实 际及应用 的方
难 等问题 ， 以充分 发挥 中间包 冶金 功能 等有 着重要
意义 。 １
１ 水模 型的建立
１１ 理论依据 ．
根据 中间包 的对 称 性 ， 用 Ｄ ８０ 工测 量 仪 采 Ｊ０ 水 对 １ 、 流 和 ３ 的钢 水 流动 情 况进 行模 拟 监测 。 流 ２ 流 采样 取 １ ０ 个点 ， ０ ５ 数据采 集 间隔为 １ ， 每个工 况连 ｓ
湍流模型构建
湍流模型构建一、湍流模型概述湍流是指流体在运动过程中出现的不规则、无序的运动状态。
由于湍流的不稳定性和复杂性，使得研究湍流问题成为流体力学中的难点之一。
为了描述湍流运动，需要建立适当的数学模型，即湍流模型。
目前常用的湍流模型主要有直接数值模拟（DNS）、大涡模拟（LES）和雷诺平均Navier-Stokes方程（RANS）三种。
二、雷诺平均Navier-Stokes方程1.基本原理雷诺平均Navier-Stokes方程是一种基于统计平均方法来描述湍流运动的数学模型。
该模型假设了在一个足够长时间内，湍流中各个位置上的速度和压力都会发生变化，并且这些变化都是随机性的。
因此，可以通过对时间进行平均来消除这种随机性，并得到一个稳定的平均场。
2.方程形式雷诺平均Navier-Stokes方程包含了连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程三个部分。
其中，连续性方程描述了质量守恒；动量守恒方程描述了动量守恒；能量守恒方程描述了能量守恒。
这三个方程的具体形式如下：连续性方程：$$\frac{\partial \rho}{\partial t}+\nabla \cdot (\rho u)=0$$动量守恒方程：$$\rho \frac{\partial u}{\partial t}+\rho u \cdot \nabla u=-\nabla p+\mu\nabla^2u+\rho g$$能量守恒方程：$$\rho c_p(\frac{\partial T}{\partial t}+u \cdot \nablaT)=\nabla\cdot(k\nabla T)+Q$$其中，$\rho$为流体密度，$u$为流速，$p$为压力，$\mu$为粘性系数，$g$为重力加速度，$c_p$为比热容，$T$为温度，$k$为热导率，$Q$为单位时间内的热源或热汇。
3.湍流模型雷诺平均Navier-Stokes方程中包含了湍流运动的统计平均过程。
不对称中间包内流场的计算机模拟实验
为宜 ，便 于清理 残钢 残渣 、观 察结晶器 液面 和保证 耐材砌
筑 的稳 定 性 。
２ ２中 间包 内钢 液 的流 动 分 析 ．
钢 液 流 动特 性 的雷 诺 数 Ｒ ＝ ｖ ／ （一 钢 液 流 动 速 度 ， ｅ ｄ ｖ （一流 股 水 力 学 直 径 ，一 钢 液 的 运 动 黏 度 ） １ ＿ ，Ｒｅ＞２ ０ 时 ００
图 １ 某 公 司 中 间包 原 尺 寸 图 设 置 钢 液 的 密 度 为 ７ １ １ 。ｇ ｍ ，１ ０ ｏ 液 的 粘 ． × ０ ｋ ／ ３ ５ ０Ｃ钢 度 为 ０ ０ ５ Ｐ Ｓ（ ． ０ ５ ａ・ 密度 和粘 度 根 据 材 料 手 册 选 用 ） ，直 径
８ｍｍ 的大 包 长 水 口 的 进 口钢 液 流 速 为 ０ ９ｍ／ ，进 口流 ０ ．４ ｓ
式 中 ：Ｇ十 包 中 间 包 钢 水 量 ， ｋ ；ｐ — 铸 坯 密 度 ， 问 ｇ —
ｋ ／ ；Ｂ ｇ ｍ３ 一
铸 坯 宽 带 ，ｍ ；Ｄ ～ 铸 坯 厚 度 ，ｍ；
钢 水 在 中 间 包 内 的停 留 时 间 ，ｒｉ；ｔ — 关 闭 钢 包 ａｎ —
减少包 内死 区 ，减 少成分偏析具有重要 的参考价值 。
下 水 口的 时 间 ，ｍｉ；ｔ — 钢 包 在 钢 包 回转 台 旋 转 一 周 的 ｎ — 时 间 ，ｍｉ ；ｔ — 钢 包 下 水 口打 开 的 时 间 ，ｍｉ；ｔ＋ ｔ＋ ｎ ３ — ｎ １ ２
１ 中 间包 钢 水 流 场 的 模 拟 ，根 据 中间 包 的实 际 尺 寸 建 立 模 型 ，如 图 １ 钢 坯 尺 寸 为 ３ ０× 。 ０ ３０ ４ ，使 用 ｆ ｅ ｔ 拟 软 件 模 拟 钢 水 流场 情 况 。 ｌ ｎ模 ｕ
单流中间包气幕挡墙物理模拟研究
Ｃ ｏ ｍｂ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｉ ｄ ｅ ｎ ｃ ｅ ｔ ｉ ｍｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｓ （ Ｒ Ｔ Ｄ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｓ ） ， ｍ ｅ ａ ｎ ｒ ｅ ｓ ｉ ｄ ｅ ｎ ｃ ｅ ｔ ｉ ｍｅ ， ｄ ｅ ａ ｄ ｒ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎ
中间包内的停留时间曲线（ Ｒ Ｔ Ｄ 曲线 ） 、 平均停留时间及死区 、 活塞 流体 积 分数 ， 研 究 不 同 位 置 的 透气 砖 对 钢 液 流 动 特 性的影响 ， 并 与 不 安 装 透 气 砖 进 行 对 比 。结 果 表 明 ， 中 间 包 底 吹 人 气体 后 ， 能 够 有效 改 善 钢 液 的 流 动 状 态 ， 延 长 钢
ｔ ｈ ｅ ｂ ｏ ｔ ｔ ｏ ｍ ｉ ｎ ｓ ｔ ａ ｌ ｌ ｅ ｄ ｇ ａ ｓ ｐｅ ｒ ｍｅ ａ ｂｌ ｅ ｂｒ ｉ ｃ ｋｓ ｏ ｎ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｆ ｌｏ ｗ ａ ｎ ｄ ｉ ｎｃ ｌ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｍｏ ｖ ａ ｌ ｉ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｔ ｈ ｅ ｔ ｕ ｎ ｄｉ ｓ ｈ．
ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｈｏ ｗｓ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｎｇ ｅ ｓ ｔ ｍｅ ａ ｎ ｒ ｅ ｓ ｉ ｄｅ ｎｃ ｅ ｔ ｉ ｍｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｈｅ ｓ ｍａ ｌ ｌ ｅｓ ｔ ｄ ｅ ａ ｄ ｒ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎ ｖ ｏ ｌ ｕｍｅ． Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｔｕ ｎｄ ｉ ｓ ｈ； Ｇａ ｓ ｃ ｕ ｒ ｔ ａ ｉ ｎ； Ｐｈ ｙ ｓ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ； Ｆｌ ｏ ｗ ｉｅ ｆ ｌ ｄ； Ｇａ ｓ ｐｅ ｒ ｍｅ ａ ｂ ｌ ｅ ｂ ｒ ｉ ｃ ｋ
第３ ８ 卷 第５ 期
两流非对称中间包内控流装置优化的水模型研究
Ｋ ｅ ｏ ｄｓ： ａｙｍ ｍ ｅｒｃ ｔ ｎｄ ｓ ｙｗ ｒ ｓ ｔ ｕ ｉｈ；ａｙｍ ｍ ｅｒｃ ｔ ｒ ｌｎｃ ｎ ｂ ｔ ；ｗ ａｅ ｏ ｌ ｌｏ ｂｅ ｖ ｏ ｉ ｓ ｔｉ ｕ ｂｕ ｅ ｅｉ ｈｉｉｏｒ ｔ ｒｍ ｄｅ ；ｆ ｗ ｈａ ｉ ｒ
Ｚ ＡＯ Ｙ ｎ ，Ｌ ＩＨｏ ｇ ， ＨＯＵ Ｊ ｎ ，ＣＨ Ｎ ｉ ｅ ｇ ， Ｅｊ—ｈ ｎ Ｈ ａ Ｅ ｎ Ｚ ｕ Ｅ Ｈａ ｇ ｎ Ｈ ｉ ｅ ｇ ， － ｃ
Ｓ Ｎ ｏｎ — ｉｎｇ Ｕ Ｚｈ ｇ ｑ ａ ，Ｘ Ｉ Ｇ Ｎ Ｇｕｏ ｃ ｎ － ｈｅ ｇ （ Ｓｈ ｏ ｆ ｔ ｉ ｎ ｅ ｌ ｒｙ Ｎｏｔｅｓ ｒ ｉｅｓｙ ｈｎ ａｇ１０ １ ２ Ｋ ｙＬｂ ｒｔｒ ｆ １ｃｒＩ ｇ ｃ１ １ ｃｏ ｌ Ｍａ ｒ ｌ ｄＭ ｔｌ ｇ ， ｒ ａ ｅ Ｕｎｖｒｔ，Ｓ ｅｙｎ １８ ９； ． ｅ ａｏａ ｙｏ Ｅｅｔ） ｎ［ ｏ ｅａａ ａｕ ｈ ｔｎ ｉ ｏ （ ｃ
表明 ：圆形湍流控制器与单挡墙组 成的控流装置 中间包两 出口流体 流动差异 较大 ；非对称长方形湍流控制 器 和多孔挡墙组成控流装置 的中间包 ，两 流之间的平均停 留时 间差异是 圆形 湍流控 制器和单挡墙组成控流装置 中间包的 ２ ３ ／ ，且 近长水 口侧出 口的平均停 留时间延长 ７ ５ ． ％． 关键词 ：非对称 中间包 ；非对称湍流控制器 ； 水模型 ；流动特性 中 图分类号 ：Ｔ ７ Ｆ７ ７ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１７ — ２ （０ １ ０ ￣１００ ６ １ ６ ０ ２ １ ）２ ０ － ６ ４
两相流数值模拟(第5讲)-两相流数值模拟方法分类0420
宏观层次上的密度、速度等参数可通过对这些粒子的有关特性值
的特殊“统计平均计算”获得，这就是Lattice一Boltzmann方法。
Lattice一Boltzmann方法是由格子气自动机方法(Lattice Gas
Automata)发展而来的，而后者又源于细胞自动机(Cellular Automata)。【参见相关文献】
两相流数值模拟方法的分类
注意要点： ２）上述分类方法并不一定百分之百地科学，可有多种分类方法。
由于与单相连续介质力学模型的内在本质联系，经典的连续介质力学方法最易 为人们所理解和接受，直接推广和延伸到两相流应用领域。
连续介质力学方法是当今应用最为广泛的方法，连续介质力学模型可分为两类：
欧拉－拉格朗日方法 欧拉－欧拉方法
如，对段塞流动（Slug Flows）和分层流动（Stratified Flows），可采用双流体 模型，对两相中的各相可分别用单相流动模拟（分离流模型），进一步可结合流体体积 法（Volume-of-Fluid，VOF)，追踪界面。
如，对弥散型两相流动，也可以采用混合模型； 有时，可能还需要采用两相湍流模型，尤其是颗粒/液滴/气泡的湍流模型，等等， 如沙尘流，混有泥沙的水流，汽轮机内的湿蒸汽流，等等。
这类方法从微观层次上将多相流看作是大量离散分子的集合，流体的运动特性 由这些离散分子的相关特性的统计平均来决定。
比较典型的如直接蒙特卡洛模拟(Direct Simulation Monte Carlo, DSMC )方 法，最近10余年内得到迅速发展。
这类方法由于需要对计算区域内每一个分子的力学行为进行描述与计算，因而 所需计算机内存很大，目前还无法应用到复杂流场计算中。
两流非对称中间包结构优化与应用研究
两流非对称中间包结构优化与应用研究赵岩;雷洪【摘要】Physical and mathematical simulation was applied to analyze the difference of flow field, flow characteristics between prototype tundish and optimized tundish. The results showed that for optimized tundish , the average residue time at 2 # strand is elongated by 8%. Difference of the average residue time between two strands gets a 36. 3%decrease. The flow path of the fluid becomes more complicated which prolongs the residence time of the fluid in optimized tundish. And feasibility of optimized scheme is confirmed by the industrial experiment. Through industrial test in the tundish, the results showed that the mean temperature difference of two outlets of the tundish is 5 ℃ with the circular turbulence inhibitor and dams, i nclusions of 140 μm to 300 μm are 0. 7 mg, while mean temperature difference of the two outlets is 2~3 ℃in the tundish with the asymmetric rectangle inhibitor and multi-hole baffles, and inclusions of 140 μm to 300 μm are 0. 2 mg. The authors believe that optimized tundish configuration can effectively decrease temperature difference between the two outlets and can effectively remove inclusions.%采用水模型实验、数值模拟相结合的方法分析了原型中间包和优化中间包在钢流流场、中间包流动特性方面的差异.结果表明:优化中间包2#水口平均停留时间延长了8.0%,两水口流体平均停留时间之差下降了36.3%.流体在优化中间包内流动轨迹更加复杂,延长了流体在中间包内停留时间.通过工业实验证实了优化方案的可行性.工业试验表明:采用圆形湍流控制器加单挡墙组成控流装置的原型中间包,两水口钢液平均温差为5℃,浇注得到的钢坯试样中,140~300μm夹杂物数量为0.7 mg;而采用非对称长方形湍流控制器加多孔挡墙组成控流装置的中间包,两水口钢液平均温差为3℃或2℃,约为原型中间包两水口钢液平均温差的1/2;浇注得到的钢坯试样中,140~300μm夹杂物数量为0.2 mg,约为原型中间包的1/3.说明采用非对称长方形湍流控制器加多孔挡墙组成控流装置的中间包对两水口温度的均一性起到了显著作用,且更能有效地去除钢液中的夹杂物.【期刊名称】《材料与冶金学报》【年(卷),期】2017(016)003【总页数】7页(P165-170,176)【关键词】非对称中间包;控流装置;平均温差;夹杂物【作者】赵岩;雷洪【作者单位】东北大学冶金学院, 沈阳 110819;东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室, 沈阳 110819【正文语种】中文【中图分类】TF777钢水凝固前的最后一个耐火材料反应器—中间包，对于连铸操作的顺利进行和提高钢水的品质起着十分重要作用.近年来冶金工作者设计了各种控流装置[1-5]来改善钢水在中间包内的流动特性，延长钢水在中间包内停留时间，减少卷渣和促进夹杂物上浮，使中间包各水口钢液温度和成分趋于一致，更有效地去除钢液中夹杂物，提高连铸钢坯的质量.针对某钢厂采用圆形湍流控制器和单挡墙组成控流装置的两流非对称原型中间包，根据相似准则，制作水模型，通过物理模拟和数值模拟研究确定采用非对称长方形湍流控制器[6-9]和多孔挡墙组成控流装置的两流非对称改进型中间包.通过工业试验，分别测量原型中间包和改进型中间包的1#水口和2#水口的温差及连铸坯中夹杂物含量，分析采用优化控流装置的改进型两流非对称中间包对连铸坯质量的影响. 为了保证原型与模型之间流体流动相似，则两者的Re数和Fr数必须相等.而在湍流流动条件下，只要使Fr数相等，就可保证原型与模型内的流体流动相似，因此中间包水模型内体积流量Qm(m3/h)与原型内钢液体积流量Qp(m3/h)满足：基于相似原理，建立几何比λ=1/3的水模型.对于盛装钢液体积为V(m3)、流量为F(m3/s) 的单流中间包，停留时间分布曲线(简称RTD曲线)为示踪剂浓度C(kg/m3)与时间t(s)的关系. =(s)为理论停留时间，Δt(s)为测量时间间隔，无量纲时间θ=t/，无量纲浓度E=C/Cdt.中间包平均停留时间为则中间包死区体积分率Vd、活塞区体积分率Vp和全混区体积分率Vm的计算式[10]为式中， tmin(s)为最小响应时间， tmax(s)为浓度峰值时间.实验装置如图1所示，分别对原型中间包(控流装置由图2a中圆形湍流控制器和高 167 mm 的坝组成)和改进中间包(控流装置由图2b中非对称长方形湍流控制器和图2c中的多孔挡墙组成)进行水模型实验.利用Fluent软件求解中间包流体流动的连续性方程、动量方程和k-ε双方程湍流模型得到中间包内流体流动的流场. 2.1 水模型结果水模型实验结果见表1，表中分别代表1#和2#水口的平均停留时间，采用经典组合方法得到中间包RTD曲线如图3所示.将两流之间平均停留时间的差值来作为评价优化方案参数[11-13].表1表明，优化后中间包，1#水口的平均停留时间下降了8.0%，2#水口的平均停留时间上升了6.2%，两水口流体平均停留时间差下降了36.3%.改进中间包 1# 水口和 2# 水口流体达到峰值的时间差比原型中间包两水口流体达到峰值的时间差小，与水模型实验结果相吻合.2.2 数值模拟结果图4a表明，来自钢包长水口的流体冲击圆形湍流控制器底部后，呈放射状均匀向四周发散，与圆形控制器侧壁相遇后向上流动；圆形控制器内腔为上小下大的对称结构，迫使流体向上流动速度逐渐增大，且呈对称分布；流体流进中间包后，在钢包长水口和两个挡墙之间形成较为强烈的回流区，越过单挡墙的流体斜向下由中间包水口流出.由于2#水口靠近钢包长水口，因此来自长水口的新鲜钢液经过较短的路径和时间到达2#水口，使纲液中的夹杂物没有足够时间上浮去除，导致2#铸坯内夹杂物较多.因此，针对2#水口延长其平均停留时间是中间包优化的关键.图4b表明，来自钢包长水口流体冲击非对称长方形湍流控制器波浪形底部后，流体湍动度增加，有利于夹杂物碰撞聚合；由于长水口中心轴线通过长方形控制器波浪底中心，湍流控制器内腔为左小右大，致使流向1#水口的流体流量大于流向2#水口的流体流量，因此减小了2#水口去除夹杂物的负担；而1#水口距钢包长水口距离较远，在流体向1#水口流动的过程中，夹杂物有充足的时间碰撞聚合上浮，增强了中间包去除夹杂物的能力.流体从湍流控制器流出后沿液面流向多孔挡墙，沿挡墙下行后从多孔挡墙中部斜向上的开孔流向中间包侧壁，再沿中间包侧壁到达底部，最后从水口流出.根据物理和数值模拟结果确定的由非对称长方形湍流控制器和多孔挡墙组成控流装置的优化中间包水模型，按照几何比为3∶1制成实际中间包，在某钢厂进行工业试验.3.1 中间包两出水口温度测定为使连铸过程顺利进行并保证铸坯质量，中间包内的钢水温度必须控制准确，波动范围小.在现场测试过程中，采用双铂铑热电偶用补偿导线连接温度显示仪[14-15]，对中间包内两水口指定位置的温度同时进行多次测定，分别对原型中间包浇注一炉钢水和改进型中间包浇注两炉钢水的1#和2#水口温度进行测定.表2和表3分别为原型中间包和改进型中间包的1#和2#水口钢液温度场试验结果.由表2可知原型中间包1#和2#水口钢液平均温差为5 ℃.对改进型中间包进行了两次测试，由表3可知，改进型中间包1#和2#水口钢液平均温差分别为3 ℃和2 ℃，约为原型中间包两水口钢液平均温差的1/2，表明改进型中间包两水口钢液平均温差比原型中间包两水口钢液平均温差明显减小.根据现场工业试验测定结果，表明改进型中间包能有效减少两水口之间钢液温差，在实际生产中是可行的. 3.2 钢中夹杂物分析3.2.1 试样制取当钢包钢水浇注60 t时，对原型中间包和优化的中间包，当1#和2#水口钢液流动比较平稳时，在第二块坯尾的东西两侧处各取一个试样，大样电解样为钢坯内弧1/4侧位置的坯样，图5中心线为钢坯内弧侧1/4位置，试样的制取如图5、图6和图7所示.3.2.2 钢中大型夹杂物分析结果表4为由原形中间包和改进型中间包获得的钢坯制取的各试样，经过电解后得到的夹杂物的质量.由表4可知，采用原型中间包得到的钢坯，试样质量为 1.34 kg 的钢坯中，含有粒径在140～300 μm 的夹杂物的质量为0.7 mg；而采用优化后的改进型中间包得到的钢坯，试样质量为1.33kg的钢坯中，含有粒径在140～300 μm 的夹杂物质量仅为为0.2 mg，约为采用原型中间包得到的钢坯中夹杂物含量的1/3，说明优化后中间包能显著减少钢液中的夹杂物含量.3.2.3 各试样中大型夹杂物照片图8、图9和图10为原形中间包和改进型中间包获得钢坯制取的各试样粒径在140～300 μm夹杂物放大15倍照片.由图8、图9和图10可以看出，采用优化后的改进型中间包得到的钢坯中夹杂物的数量远远少于采用原型中间包浇注后得到的钢坯中夹杂物的数量.(1)由水模型实验结果可知，优化中间包的1# 水口的平均停留时间下降了8.0%，2#水口的平均停留时间上升了6.2%，两水口流体平均停留时间之差下降了36.3%，能够减少中间包两水口之间平均停留时间的差异.(2)由数值模拟结果可知，优化中间包增加了流体湍动程度，流体在中间包内流动轨迹更加复杂，延长了流体在中间包内停留时间，有利于夹杂物碰撞、聚合去除. (3) 由工业试验得出，两流非对称原型中间包两水口钢液平均温差为5 ℃，而优化后的改进型中间包两水口钢液平均温差为3 ℃或2 ℃，约为原型中间包两水口钢液平均温差的一半，说明优化中间包对两水口温度的均一性起到了显著作用. (4) 由钢中夹杂物分析可知，采用两流非对称原型中间包浇注得到的钢坯试样中，粒径在140～300 μm夹杂物质量为0.7 mg；而采用优化后的改进型中间包得到的钢坯试样中，粒径在140～300 μm夹杂物质量仅为为0.2 mg，约为原型中间包的1/3，说明优化中间包可以大幅度减少钢液中大型夹杂物含量.【相关文献】[1]Zhong L C, Li B K, Zhu Y X. Fluid flow in a four-strand bloom continuous casting tundish with different flow modifiers[J]. ISIJ Int, 2007, 47(1): 88-94.[2]Jhap K, Rao P S , Dewan A. Effect of height and position of dams on inclnsion removalin a six strand tundish[J]. ISIJ Int, 2008, 48(2): 154-160.[3]Liu S X, Yang X M. Hydrodynamic and mathematical simulations of flow field and temperature profile in an asymmetrical T-type single-strand[J]. ISIJ Int,2008, 48(12): 1712-1721.[4]Tripathi A, Ajmani S K. Numerical investigation of fluid flow phenomenon in a curved shape tundish of billet caster[J]. ISIJ Int.,2005, 45(11): 1616-1625.[5]樊俊飞，张清郎，朱苗勇，等. 六流T形连铸中间包内控流参数优化的水模研究[J]. 钢铁, 1998, 33(5): 24-28. 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口钢 液 的成分 和温度差 别很大，并且钢 液 中夹杂物 没有 足够 的时间发生碰 撞聚合和上浮去除。
计 算机 系统
示 踪剂 加入 装置
２２ 水 模 型结果 ．
根ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ水模 型实验数据 ，利用 Ｆ ｌ ｔ软件 得到采用不 ｕｅ ｎ
同控流装置 中间包 内流体流动的流场 图。
…一 … 镝 泳百…………‘ １
湍 流 控
包 Ｉ ｆ １．
陶门 巾
１ 出水 Ｅ ｌ
巾 门 阀
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（ ．Ｓ ｈ ｏ ｆ ｔｒ ｌ ｎ ｔｌ ｒ ｙ Ｎｏｔ ｅ ｓ ｒ ｉｅｓ ｙ ｈ ｎ ａ ｇ １ ０ １ ，Ｃ ｉａ １ ｃ ｏ ｌ Ｍａｅｉ ｄＭｅａ ｕｇ ， ｒ ａ ｔ ｎＵｎｖ ｒｉ ，Ｓ ｅ ｙ ｎ ８ ｈｎ ； ｏ ａａ ｌ ｈ ｅ ｔ １ ９
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５２
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ｉ １ ＝
则 中间包 死区体积分率 、活塞 区体积 分率 和 全
混 区体积分率 的计算 式［ 为
工 艺 研 究
＝
工业加热 第 ４ ０卷２ １ 年第 ４ ０１ 期
１ 一ｔ （） ３
表 １ 原 型 和 优 化 方 案 中间 包水 模 型 实验 结 果
２出水 口 ２ ６ ２０
（ ）圆形 湍流 控制 器与 单档 墙 ａ
（ ）圆形湍 流控 制器 与单挡 墙 ａ
０３ ｓ ． ｍ／
（ ）不 对称 长方 形湍 流控 制器 与高 低墙 ｂ
图 ３ 中间包 流场
图 ３ （）表 明，来 自长水 口的主流股冲击 圆形 湍流 ａ
（ ）非对称 长方 形湍 流 控制 器与 高低 档墙 ｂ
ｄ ｍ．Ａｎ ｅ ａ ｅ ａ ｅｒ ｓｄ ｅｔ ｔ ｈ ｔａ ｄ ｎ ａ ｈ ｈ ｏ ｄｒｓ ％ ．Ｏｐ ｉ ｉｅ ｏ ｔｏ ｅ ｉｅ ｃ ｎ ｅ ｆ ｃ ｉ ｅｙ ｄ ｃ ｅ ｓ ｈ ｉｆ ｒ ｎ ｅ ａ ｄ ｔ ｖ ｒ ｇ ｉ ｕ ｉ ａ ｅｓｒ ｎ ｅ ｒ ｅ ｓ ｒ ｕ ｉｅ ８ ｈ ｅ ｍｅ ｔ ｔ ｔ ｚ ｄ ｃ ｎ ｒ ｌ ｖ ｃ ａ ｆｅ ｔ ｌ ｅ ｒ ａ ｅｔ ｅ ｄ ｆｅ ｅ ｃ ｍ ｄ ｖ
的单流 中问包，停 留时间分布 曲线 （ 简称 Ｒ Ｄ 曲线）为 Ｔ
示 踪剂浓 度Ｃ （ 单位 ：ｋ ／ ）与 时问ｆ（ 位：Ｓ ｇｍ 单 ）的 关
高低墙组成控 流装置 的中间包，并运用数学 物理模拟方 法 ，研 究了不同控 流装置 下 中间包 内流体流动 的流场 。
收稿 日期 ：２ １－２１；修 回 日期 ：２ １—３１ ０ １ —０ ０ ０ １ －５ ０
Ｉ ２ ２ｖ ＿ １ ２ ｍ ／ ／ ｓ ：Ｉ ｓ
＝
ｐ 一１ ＋ ／ ｍ ２ 一 ｒ ．７ ｓ ． ｓ
ｇ ｍ＝１ 一 一
一 囵
统
（） ４
（） ５
式 中：， ｒ 为最小响应 时间，ｓ ｍ 为浓度峰值 时间，Ｓ ｎ ｉ ；ｔ 。
实验装置如 图 １ 、图 ２所示 。
工 艺 研 究
ＤＯ ： １ ． ６／ ｉ ｎ ０２ １３ ．０ １ ３ １ Ｉ ０３ ９ ． ｓ ．１０ —６ ９ １． ． ８ ９ ｊ ｓ ２ ００
工业加热 第４ ０卷２ １ 年第４期 ０１
两流非对称中间包不同湍流控制器流场的物理模拟研究
赵 岩 雷 洪２ ， ，周 骏 ２ 陈 海耿 ， ，赫 冀 成２ ，孙 中强 ，邢 国成
基 于相似原理 ，建立几何 比 ／ ＝１ ３的水模 型 。对于 盛装钢 液体积 为 （ 单位：Ｉ０ 、流量为卯 （ Ｔ） １ 单位：ｍ ／） ｓ
针对钢厂生产用 圆形湍流控 制器与单挡墙 组成控流
装置的非对称两 流 中间包夹 杂物去除能力弱 、两流之 间 钢 液温差大 的现状，设计 了不对称长方形湍 流控制器 与
作 为钢 水凝 固前 的最后一个反 应器，连铸 中间包是 提 高钢产 品质量 的重要环节 。一个 合格 的中间包 具有如
下功能 ：①促进钢 液成分和 温度的混合 ，尽 可能实现 中
ｌ 实验方法
流体流动相似 ，需保证原型 与模 型之间 的尺 数和 ｅ 数相等 。在湍 流流动条件下 ，原型与模型 的流体流动相 似，只要 数 相等 即可 ，因此 中间包水模 型体积流量ｑ （ 单位：Ｔ／） Ｉ ｈ 与原型钢 液体积 流量ｑ （ Ｉ 单位 ：Ｔ ／） １ ｈ 满足 ： Ｉ
ｏ ｕ ｄ ｆｏ ｂ ｔ ｅ ｗｏ ｓｒ ｎ ｓａ ｄｃ ｎ ｉ ｒ ｖ ｅｉ ｃ ｕ ｉ ｎ ｒ ｍｏ ａ ａ ｅ ｆ ｌ ｉ ｗ ｅ ｗｅ ｎ ｔ ｔａ ｄ ｎ ａ ｆ ｌ ｍｐ ｏ ｅｔ ｌ ｓｏ ｅ ｖ ｌ ｔ ． ｈ ｎ ｒ Ｋｅ ｒ ｓ ａ ｙ ｙ ｗｏ ｄ ： ｓ ｍｍ ｅｒｃｔ ｎ ｉｈ ｆｏ ｃ ｎ ｒ ｌ ｅ ｉｅ ｗａ ｅ ｄ ｌ ｆ ｗ ｅ ａ ｉｒ ｔ ｄ ｓ ； ｌ ｗ ｏ ｔ ｖ ｃ ； ｉ ｕ ｏ ｄ ｔｒ ｍｏ ｅ ； ｌ ｏ ｂ ｈ ｖｏ
控 制器底部后 ， 向外呈放射状 均匀散开 ，然后沿 内壁 向
上 流动 ，离 开圆形湍流控 制器的流股在 长水 口与两 侧挡 墙之 间形成较 强的漩 涡，造成 中间包表 面波动很大 ，容 易 发生卷渣现象 ；另外 由于流体流速较快 ，使得钢液在 中
图 １ 水模 型实验装置 图
间包 内第 ２流 （ 靠近长水 口）平均停 留时间仅为 １４ ， ９． ｓ ４ 而第 １ （ 流 远离长水 口）平均停 留时间为 ２ １ ，两 流 ９． ｓ ２ 之 间平均停 留时间差值达到 ９ ．ｓ 这 表明 中间包两 流出 ６７ ，
（．东北大学 １ ２ ．东北大学 材料 与冶 金学 院，辽宁 沈阳 １０ １； ｌ８ ９ 沈阳 １０ １； １ ８９ 材料 电磁过程研究教育部重点实验室，辽 宁
３．东北大学
冶金技术研 究所有 限公司，辽宁
沈阳 １０ １） １８ ９
摘要 ： 通过水模型实验和数值模拟，研究 了不 同控流装置下两流非对称 中间包 内流体流动特性 。 结果表 明：圆形湍流控 制器 与单挡 墙组成的控流装置 中间包液面波动大，容易发生卷渣现象；非对称长方 形湍流控 制器 和高 低挡墙组 成控 流装置 的中间包 ，两 流之 问
系。 ＝ （ ｆ 专 单位： ） ｓ 为理论停留时间，Ａ （ ｔ 单位：ｓ ）
为测量时间间隔Ｇ。中间包平均停 留时问为
∑ｃ ｆ ｆ ｆ △
Ｉ ＿ ——一 （） ２
基金 项 目 ：国家 高 技术研 究 发展计 划 （０ ９ Ａ ３ ５０ ；国家 自然 ２０ Ａ ０Ｚ ３ ） 科学 基金和上 海宝钢集 团公司联 合资助项 目（０ ３００ ； ５８４ １） 国家 自然 科学 基 金资 助项 目 （０ ７ １６ ； 中央高 校基 ５ ９４４ ） 本 科研 业务 费 （ ０ ４９ ０ ） Ｎ１０ ０ ０７ 作者 简 介 ：赵 岩 （９ ｌ ） １７一 ，男，辽 宁海 城人 ，博士 生 ，讲师 ，主 要 研 究方 向为 中问包 冶 金．
ｑ＝ （） １
间包 各流 出 口钢 液温度和成分 的均一化；②促进钢 中夹
杂 物的碰撞聚合 和上浮去 除；③在 钢包开浇 、换 包或进 行 高 拉速 连 铸 时， 能控 制钢 液 流动 ，避 免 中间包 覆盖 剂卷 入 到钢 液 内 。这些 功 能 的实现 与 中 间包 内的 控流 装置 ［ １ ｉ 密切相 关。 － ４
ｗｉ ｉｆ ｒ ｎ ｏ ｔｏ ｅ ｉ ｅ ．Ｒｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｔ ａ ｅ ｔ ｎ ｉｈ ｗｉ ｉｃ ｌ ｒ ｕ ｂ ｌｎ ｅｉ ｈ ｂ ｔ ｒ ｎ ｉ ｇ ｅｄ ｍ．ｔ ｅ ｅａ ｅｇ ｅ ｔ ｓ ｉ ａ ｉ ｎ ｔ ｄ ｆｅ ｅ ｔ ｎ ｒ ｌ ｖ ｃ ｓ ｈ ｃ ｄ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔ ｎｔ ｄ ｓ ｔ ｃｒ ｕ ａ ｒ ｕ ｅ ｃ ｉ ｉ ｄ ｓｎ ｌ ａ ｓ ｈ ｉ ｈ ｕ ｈ ｔ ｎ ｏ ａ ｈ ｒ ｒ ｒ ａ ｃ ｌ ｔ ｏ ｌ ｏ ａ ｒ ｅ ｓ ｒａ ｅ ｔｆｅ ｕ ｆ ｃ ，ｗｈ ｃ ａ ａ ｓ ｌ ｇ ｅ ｔａ ｍｅ ｔ ｉｈ ｃ ｎ ｃ ｕ ｅ ｓａ ｎ ｒ ｐ ｎ ．Ｂｕ ｎ ｔ ｅ ｔ ｎ ｉｈ ｗｉ ｓ ｍｍｅｒｃ ｓ ｕ ｒ ｕ ｂ ｌｎ ｅ ｉ ｈ ｂ ｔ ｒ ａ ａ ｄ ｗｅｒ ｈ ｔｉ ｕ ｄ ｓ ｔ ａ ｙ ｈ ｈ ｔｉ ｑ ａ ｔ ｒ ｕ ｅ ｃ ｎ ｉ ｉ ，ｄ ｍ ｎ ｉ ｅ ｏ ，ｔ ｅ ｄ ｆｅ ｅ ｃ ｆｔ ｅ ａ ｅ ａ ｅ ｒ ｓｄ ｅ ｔ ｅｗｅ ｎ ｔ ｔ ｎ ｓｉ ｏ ｌ ／ ｆｔ ａ ｎ ｔ ｅ ｔ ｎ ｉｈ ｗｉ ｉｃ ｌ ｒｔ ｒ ｕ ｅ ｃ ｎ ｉ ｉ ｒａ ｄ ｓｎ ｌ ｉ ｒ ｎ ｅ ｏ ｖ ｒ ｇ ｅ ｉ ｕ ｉ ｂ ｔ ｅ ｗｏ ｓｒ ｄ Ｓ ｎ ｙ １３ ｏ ｔ ｄ ｓ ｔ ｃ ｒ ｕ ａ ｂ ｌ ｎ ｅ ｉ ｈ ｂ ｔ ｎ ｉ ｇ ｅ ｈ ｍｅ ａ ｈ ｉ ｈ ｕ ｈ ｕ ｏ
的平均停 留时间差异是 圆形湍流控制器和单挡墙组成控流装置中间包的 １ ，且近长水 口侧 出 口的平均停 留时间延长 ８ ／ ３ ％。优化后控 流装置有效缩小两流之间流体流动的差异且增强了 中间包去除夹杂物能力。