超音速聚合射流氧枪射流行为的数学物理模拟研究

论文摘要

氧枪是现代氧气炼钢的关键设备,其性能直接影响到炼钢生产的产量、质量、原材料消耗、生产作业率和环境等重要指标。氧枪性能的优劣取决于由氧枪出口喷射出的氧气射流特性。如将超音速聚合射流技术应用于转炉炼钢生产,,将大大提高炼钢的生产效率和节能效率。本文分别采用实验室射流测试实验、水模型实验、热态模拟实验及数值模拟等研究方法,系统地研究了聚合射流氧枪及传统超音速射流氧枪氧气射流行为特征及与炼钢熔池相互作用规律,其目的是为此技术的应用提供理论基础。主要的研究内容和结果如下：氧枪射流特性的物理模拟研究。利用微机控制液压伺服的多点压力快速扫描的氧枪检测系统,对常温下以空气模拟的射流进行了较为系统的研究。重点考察了单股射流中心线速度在不同驱动压力下的衰减规律；多股射流中心线相对于喷孔几何轴线的偏移规律；多股射流轴线速度的衰减规律；操作枪位对射流冲击面积的影响；以及由低密度氦气伴随的聚合射流流场的速度分布规律等。热态聚合射流物理模拟实验结果表明聚合射流比传统超音速射流具有减缓其轴向衰减及径向扩散,更加具有刚性、聚合性和对熔池更大的冲击性,使其在一定程度上保持中心氧气射流相对聚合的特征。氧枪射流特性的数值模拟研究。首先根据射流物理模拟测试实验结果对标准的k-ε双方程模型进行了修正；并运用FLUENT软件模拟了不同滞止压力下Laval喷管内的流动、传统超音速射流在不同的滞止压力和环境温度时的流动特征以及带有氦气低密度伴随流情况下,不同结构参数与工艺参数下聚合射流流场的流动特征。数值模拟结果表明超音速聚合射流氧枪在有低密度氦气伴随的情况下,能更大程度地减缓轴线上速度的衰减,核心区长度明显增加,使中心射流在距喷嘴更长距离内保持其初始速度及冲击动量。氧枪射流与炼钢熔池相互作用规律的物理模拟。水模型实验模拟鞍钢180t顶底复吹转炉冶炼过程,实验的相似准数为修正的Froude准数,几何相似比取为10：1。考察了不同的底枪布置,不同的顶、底吹流量、不同吹炼枪位下熔池的搅拌混合特征。确定了顶底复吹转炉最佳搅拌效果所对应的结构参数与工艺参数。实验结果表明聚合射流氧枪可以达到顶底复吹的搅拌效果,如能在转炉冶炼工艺中应用,可取消底吹系统,简化转炉设备,提高转炉炉龄,可引领转炉炼钢技术的变革。目前,聚合射流氧枪技术仅在国内宝钢等几家电炉上得到初步应用,其技术尚未公开。该项技术在转炉炼钢上的应用,国外仍处于工业试验阶段,而国内尚属空白。为此针对超音速聚合射流氧枪射流行为特征的数学物理模拟研究将为研制聚合射流氧枪和其在电炉及转炉中的应用起到一定的借鉴和指导作用,对于我国炼钢生产的进一步发展具有重要的理论价值和现实意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 氧枪概述
• 1.2.1 氧枪的分类及发展
• 1.2.2 氧枪喷头的主要参数
• 1.2.2.1 氧气流量和供氧强度
• 1.2.2.2 输氧管道的压力范围
• 1.2.2.3 炉膛压力
• 1.2.2.4 枪位高度
• 1.2.2.5 出口马赫数
• 1.2.2.6 喷管喉道直径
• 1.2.2.7 氧枪孔数和轴线与喷孔轴线夹角
• 1.2.3 氧枪的工艺要求
• 1.3 单股射流氧枪特性
• 1.3.1 无激波超音速氧气射流的特征
• 1.3.2 超音速区域长度
• 1.3.3 超音速射流完全展开区的流动特性
• 1.3.4 高温下射流的流动特性
• 1.3.5 自由射流的沿程卷吸
• 1.4 多股射流氧枪特性
• 1.4.1 多股射流特性的研究
• 1.4.2 多股射流中心的偏转
• 1.4.3 多股射流流场的特点
• 1.5 聚合射流氧枪特性
• 1.5.1 聚合射流氧枪技术的背景
• 1.5.2 聚合射流氧枪工作原理
• 1.5.3 聚合射流氧枪的流场特征
• 1.5.4 聚合射流氧枪对熔池的作用
• 1.5.5 聚合射流氧枪技术应用情况
• 1.6 氧枪射流特性的研究方法
• 1.7 课题研究的主要内容和创新性
• 第二章 超音速聚合射流氧枪的理论基础
• 2.1 空气动力学的基础理论
• 2.1.1 一维定常等熵流的基本理论
• 2.1.2 拉瓦尔喷管的工作特性
• 2.2 超音速气体射流稳定流动的相似理论
• 2.3 燃料燃烧的基础理论
• 第三章 氧枪射流行为特征的物理模拟
• 3.1 氧枪射流检测方法
• 3.2 氧枪射流物理模拟检测系统
• 3.2.1 氧枪检测系统的基本功能
• 3.2.2 氧枪检测系统的主要组成
• 3.2.3 射流检测实验中各参数的算法标定
• 3.2.4 激波对实验的影响
• 3.3 单股氧枪射流特性的实验研究
• 3.3.1 射流中心线速度的衰减规律
• 3.4 多股氧枪射流特性的实验研究
• 3.4.1 驱动压力对射流中心线速度的影响
• 3.4.2 射流中心线相对于喷孔几何轴线的偏移
• 3.4.3 氧枪轴线上的速度分布规律
• 3.4.4 射流冲击面积的研究
• 3.5 聚合射流氧枪特性的实验研究
• 3.5.1 聚合射流氧枪喷头的设计制作
• 3.5.2 聚合射流氧枪实验装置
• 3.5.3 聚合射流氧枪热态实验
• 3.5.4 聚合射流与传统超音速射流冷态实验对比
• 3.6 本章小结
• 第四章 氧枪射流行为特征的数值模拟
• 4.1 数学模型的建立
• 4.1.1 控制方程
• 4.1.2 湍流模型
• 4.1.3 传热模型
• 4.1.4 组分模型
• 4.2 计算条件
• 4.2.1 计算所涉及的边界条件
• 4.2.2 空间结构模化及数值模拟方案的制定
• 4.2.3 控制条件
• 4.3 氧枪喷头LAVAL喷管内流动行为的数值模拟
• 4.3.1 不同滞止压力下的管内流动特征
• 4.3.2 不同滞止压力下喷管轴线上的压力和马赫数的变化规律
• 4.3.3 数学模型选取对模拟结果准确性的影响
• 4.3.4 本节小结
• 4.4 传统超音速氧枪射流流场特征的数值模拟
• 4.4.1 滞止压力对射流流场特征的影响
• 4.4.2 环境温度对射流流场特征的影响
• 4.4.3 本节小结
• 4.5 聚合射流氧枪流场行为特征的数值模拟
• 4.5.1 副孔结构参数对主射流轴线上速度衰减规律的影响
• 4.5.2 副孔工艺参数对中心主射流流场分布规律的影响
• 4.5.3 湍流模型选择对模拟结果准确性的影响
• 4.5.4 本节小结
• 第五章 氧枪射流与熔池相互作用规律的物理模拟
• 5.1 物理模型实验研究方法
• 5.1.1 均混时间的研究
• 5.1.2 氧枪枪位的研究
• 5.1.3 氧气射流对熔池穿透深度及冲击面积的研究
• 5.1.4 底吹的喷嘴位置及搅拌模式
• 5.2 实验研究的主要内容
• 5.3 实验装置及参数
• 5.3.1 实验装置
• 5.3.2 复吹转炉结构参数与操作参数
• 5.4 物理模型的建立
• 5.4.1 近似模型法
• 5.4.2 相似准数
• 5.4.3 模型几何尺寸确定
• 5.4.4 模型供气参数确定
• 5.5 底吹物理模型实验
• 5.5.1 实验方案
• 5.5.2 实验数据
• 5.5.3 结果分析与讨论
• 5.5.4 本节小结
• 5.6 顶底复吹转炉的物理模型实验
• 5.6.1 实验方案
• 5.6.2 实验步骤
• 5.6.3 实验数据
• 5.6.4 结果分析与讨论
• 5.6.5 本节小结
• 5.7 聚合射流氧枪物理模型实验
• 5.7.1 实验的理论依据
• 5.7.2 实验方案
• 5.7.3 实验步骤
• 5.7.4 实验数据
• 5.7.5 结果分析与讨论
• 5.7.6 本节小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 作者简介
• 附录
• 论文包含图、表、公式及文献