薄板坯连铸结晶器非稳态湍流大涡模拟研究

论文摘要

高拉速导致薄板坯连铸结晶器内钢液处于强烈的非稳态湍动状态,而钢液的湍动状态决定钢液内夹杂物分布和钢坯凝固质量。随着工业界对钢的纯净度要求的不断提高,必须深入了解连铸结晶器内钢液的流场特征及湍流特性分布。雷诺时均k-ε模型发展已经相当成熟,但是它是将控制方程对时间做平均,得到的是稳定态结果,即使求解非稳态过程,当时间达到一定数值后,其结果也不再发生变化（即达到稳态）。直接数值模拟一直受到计算机容量的限制,目前只能用于求解低Re数和理想边界条件下的流动。大涡模拟对大尺度量通过求解微分方程直接计算,而把小尺度量过滤掉,这些过滤掉的小尺度量在运动方程中表现为亚格子雷诺应力,它们将通过模型来模拟。目前,大涡模拟在均匀湍流和自由剪切流的应用上已得到了很好的验证。板坯探伤缺陷检测结果显示,缺陷呈现非对称分布,并具有一定的规律性。以往采用雷诺时均模型得到的结晶器内流场呈现对称分布,并不能解释探伤缺陷,采用直接模拟结晶器中的流场又有计算机容量的限制,所以大涡模拟方法的优越性得以体现。国内外的一些学者曾利用大涡模拟计算了结晶器内的湍流流动,但碍于计算机容量和对大涡模拟满足条件的认识不足,其结果并没有很好的反映结晶器内的实际流动。本文率先采用了能够满足大涡模拟对网格尺寸要求的精细网格,构建了一种计算非稳态湍流场的大涡模拟模型,利用粒子成像测速仪（PIV）的测试结果、超声波探伤结果和雷诺时均模拟（RANS,k-ε模型）结果验证了本模型的可靠性,并利用此模型得到了薄板坯连铸结晶器内非稳态湍流场的运动规律。研究结果表明,即使水口完全对中,结晶器内的湍流分布也是不对称的,湍流流动是瞬变的和随机的,明显的特征是漩涡的分布及大小不一致。弯月面速度较小的一侧始终有漩涡存在。随着非稳态时间的发展,结晶器内钢液的偏流呈现周期性反对称分布,周期在20s左右。流向涡演化的结果给出了大涡拟序结构的形成、发展、脱落和破碎过程。拟序涡和非湍流区之间存在很大的涡量梯度,会发生强烈的涡扩散,从而使非湍流区流体很快溶合到湍流大涡中并参加以后的湍流发展过程。为提高生产钢坯的质量,本文所研究的漏斗型薄板坯连铸结晶器,最适合的拉坯速度应在5.5m/min左右,拉速过大或过小均不利于钢坯质量的提高。大涡模拟与雷诺平均模拟相比,前者得到的瞬态湍流流场呈现非对称分布,可以捕捉更多的随机漩涡,对结晶器内的瞬时流场预报更准确,更能反映流动的某些细节,可以更加深刻地认识湍流的本质。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 薄板坯连铸连轧技术概况
• 1.1.1 薄板坯连铸技术现状
• 1.1.2 薄板坯连铸技术发展趋势
• 1.1.3 薄板坯连铸结晶器简介
• 1.2 连铸结晶器内钢液流场的研究方法
• 1.2.1 连铸结晶器内湍流场研究方法
• 1.2.2 连铸结晶器内湍流场数值计算方法
• 1.2.3 不同湍流数值计算方法的对比
• 1.3 连铸结晶器内钢液流场的研究现状
• 1.3.1 物理试验研究
• 1.3.2 数值模拟研究
• 1.4 本文的研究内容及意义
• 1.5 本章小结
• 第2章 湍流大涡模拟的理论基础
• 2.1 流体运动的基本方程
• 2.1.1 方程的求解方法
• 2.1.2 方程的离散方法
• 2.2 湍流大涡模拟
• 2.2.1 滤波函数
• 2.2.2 大涡模拟的控制方程
• 2.2.3 常用的亚格子尺度模型
• 2.3 本章小结
• 第3章 薄板坯连铸结晶器的大涡模拟
• 3.1 连铸结晶器物理模型
• 3.2 连铸结晶器钢液流动数学模型
• 3.2.1 基本假设
• 3.2.2 控制方程
• 3.2.3 边界条件及计算方法
• 3.3 大涡模拟模型的验证
• 3.3.1 粒子图像测速技术
• 3.3.2 数值计算结果与PIv结果对比
• 3.3.3 超声波探伤技术
• 3.3.4 数值计算结果与探伤结果对比
• 3.4 本章小结
• 第4章 薄板坯连铸结晶器大涡模拟分析
• 4.1 不同时刻结晶器中心截面的流场分布
• 4.2 不同时刻结晶器弯月面的流场分布
• 4.3 不同时刻结晶器弯月面的剪切力分布
• 4.4 不同时刻结晶器弯月面的涡量分布
• 4.5 结晶器内的流向涡演化
• 4.6 本章小结
• 第5章 拉坯速度对结晶器内流动的影响分析
• 5.1 不同拉速下中心截面的流场分布
• 5.2 不同拉速下弯月面的流场分布
• 5.3 不同拉速下弯月面的剪切力分布
• 5.4 不同拉速下弯月面的涡量分布
• 5.5 本章小结
• 第6章 大涡模拟与雷诺平均模拟对比分析
• 6.1 从矢量分布分析二者模拟结果
• 6.2 从监测点速度分析二者模拟结果
• 6.3 从中心线速度分析二者模拟结果
• 6.4 从弯月面剪切力分析二者模拟结果
• 6.5 从涡量分布分析二者模拟结果
• 6.6 本章小结
• 第7章 结论和展望
• 7.1 本文结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的学术论文目录
• B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录
• C. 作者在攻读学位期间参加的学术活动目录
• D. 作者在攻读学位期间参加的科技竞赛目录
• E. 作者在攻读学位期间参与的科研项目目录
• F. 作者在攻读学位期间获得的主要荣誉目录