可压缩尖锥边界层湍流的直接数值模拟

采用高精度差分方法对来流马赫数0．7,来流Reynolds数250000／Inch,锥角为20°的尖锥边界层的整个空间转捩过程进行了直接数值模拟．对流项采用了7阶迎风格式离散,黏性项采用6阶中心格式离散,时间推进为3阶Runge—Kutta方法．对转捩形成的充分发展湍流进行了统计分析,包括平均速度分布,近壁湍流强度和雷诺应力等统计数据与平板边界层理论及实验吻合很好,验证了结果的正确性．显示了近壁湍流的典型拟序结构——高、低速条带结构并根据流向速度的周向相关量确定了条带的间距,以当地壁面尺度度量的条带间距沿流向并没有显著变化．给出了柱坐标下的可压湍动能发展方程,并据此对近壁湍动能的生成、耗散和输运机制进行了分析．     

螺旋翅片管轧制的中频感应加热数值模拟

在对钢管中频加热过程进行理论分析的基础上,从麦克斯韦方程组和导热微分方程出发,考虑了材料物理性能随温度变化对加热过程的影响,使用Ansys软件建立了钢管电磁-热耦合分析的有限元模型,对钢管中频感应加热问题进行了数值模拟计算. 计算结果中工件外表面温度与实测温度相差5.19%,吻合较好. 提出了感应透热深度的概念,并以此区分钢管内感应加热区域和热传导区域. 根据模拟结果讨论了钢管感应透热深度及温度分布的影响因素,并证明了双线圈感应加热工艺在工件温度分布、热效率及频率分配方面的合理性.     

可压缩效应对平板湍流边界层影响的直接数值模拟

采用高精度紧致型差分格式求解三维可压缩Navier-Stokes方程,通过在局部平板上引入周期性吹吸气小扰动的方法,直接数值模拟来流马赫数M∞为2.25的空间发展的可压缩平板湍流边界层.所得流场统计特征与相关理论和试验符合较好.在此基础上研究可压缩效应对平均流动特征以及湍能的生成和耗散特征的影响,指出在M∞=2.25的情况下,Morkovin假设基本成立,但可压缩效应使得拟序结构有明显差别.与不可压相比上抛、下扫对不同区域的作用有所不同.在近壁区,压力-膨胀项和压力-速度相关项仍是不可忽略的量,这导致声的产生和可压缩效应对湍能产生抑制作用.平板上声压的分布表明,随流动向下游的发展,边界层转捩过程激发了由物面脉动压力所产生的偶极子声源.     

侧壁式感应加热中间包磁/热/流耦合模拟

提出一种新的中间包感应加热方式,建立了三种线圈模型,模拟研究了三种线圈模型的电磁力分布及其对中间包内流场和温度场的影响,并结合RTD曲线评估了最佳线圈模型和加热功率.结果表明:感应线圈向端部移动有利于改善浇注区远端钢液流动形态及温度分布;相同加热功率条件下,U形感应加热线圈优于E形感应加热线圈,且相较于双侧对称分布U形线圈,单侧U形线圈的热效率更佳,冶金效果更好;提高感应加热功率有利于改善钢液的流动和提高铸坯的质量;对于四流中间包,加热功率为800~1 000 kW时,可达到均温补热的效果.     

蝶式感应加热中间包流场与升温特性

针对传统连铸设备中间包钢液入口与浇注口距离近无法安装感应加热装置的问题,设计出一种新型蝶式感应加热中间包,并建立三维非稳态磁-热-流耦合数学模型研究电磁场对蝶式中间包内流场和温度场的影响,得到感应加热功率与升温特性间的关系.结果表明,感应电流在中间包中形成闭合回路且主要集中在通道处.偏心电磁力使得钢液在通道内产生旋流并伴有较大切向速度,流出通道的钢液向浇注室上方运动.中间包过流量为2t/min时,无感应加热情况下出口温降为7K,而有感应加热情况下,当加热功率由600kW增至1000kW,出口温升由8K增至27K.     

电渣炉夹具感应加热的有限元数值模拟

采用有限元分析法和ANSYS软件,引入复矢量磁位,推导了感应加热有限元模拟的数学模型.讨论了感应加热有限元分析中温度场与电磁场耦合、工件材料物理参数的温度依赖性等关键技术问题的处理方法.分析了电渣炉夹具的感应加热过程,得到了夹具的温度分布状况以及温度随时间的变化规律.结果表明:温度的最大值主要集中在夹具的表层,且心部几乎未加热,其数值模拟结果与工程实际应用工况基本一致.     

湍流模型和壁面函数对室内空气流动数值模拟的影响

以室内有隔板的低雷诺数空气流动模型的试验数据为依据,利用ANSYS Fluent软件,比较了4种湍流统计模型(标准k-ε模型、可实现k-ε模型、重整化群k-ε模型和SST k-ω模型)及4种壁面函数(标准壁面函数、可伸缩壁面函数、非平衡壁面函数和增强型壁面函数)对室内空气时均流场的预测能力.结果表明,重整化群k-ε模型的预测效果相对最佳,但4种湍流模型的预测能力差别不显著,预测值与试验值均吻合较好.对于中等疏密度网格,标准壁面函数对网格和流动的适应性最好,预测能力最佳,而其他3种壁面函数的处理能力一般.     

连铸中间包钢液加热方式的模拟

研究采用模型实验法，以重庆特殊钢厂弧型连铸机、成都无缝钢管厂水平连铸机为原型，探索了中间包感应加热的温度场和升温效果，实验中使用了微机采集数据，并对数据进行系统的处理，在此基础上与电渣加热模型实验比较，结果表明：两种加热方法都可以提高中间包内的钢液温度，只是温度分布有所不同。模拟感应加热的热效率可达８０％，对结果进行了无量钢化处理，推算出热态中间包的温度分布。     

可压密相气固两相湍流流动的数值模拟方法

在ＤＩＰＳＡＲ算法的基础上,推导了适用于可压密相气固两相湍流流动数据会计的ＣＤＩＰＳＡＲ算法,利用提出的可压密相的两个ｋ－ε低湍流雷诺数模型,用ＣＤＩＰＳＡＲ算法,对竖直上升管中可压密相气固两相湍流流动进行了数值计算,同时考虑了密度变化和体积分数变化的影响,研究结果表明,随着颗粒体积分数的增加,颗料间及颗粒与壁面间的相互作用占了主导地位,使得单个颗粒脉动速度增大,但是气体及颗粒的速度差却随之减小,     

Influence of flow control devices on metallurgical effects in a large-capacity tundish

The influence of flow control devices on metallurgical effects in a large-capacity tundish has been studied carefully with elements tracing, sampling and theoretical prospecting. The results from the studies are (1) in the continuous casting of clean steel, bad control of tundish operation may deteriorate the cleanliness of steel; (2) the cleanliness of steel is deteriorated mainly at the unsteady state; (3) large amount of macro inclusions come from the top slag and the refractory of tundish; (4) installing dam and weir can improve the cleanliness of steel and lighten the influence of steel fluctuation; and (5) the result of theoretical calculation suggests that the inclusions larger than the critical size of 92.6 μm can be floated out from the tundish bath completely.     

Dissymmetric flow phenomenon in a multistrand tundish

The dissymmetric flow phenomenon exists in a symmetric multistrand tundish. It was studied by the physical simulation experiment. The fundamental flow characteristic of dissymmetry was analyzed. The asymmetry of the flow field, the temperature field, and the inclusions distribution without flow-control devices (FCDs) were compared with those with FCDs. It is proved that the asymmetry of the flow and temperature field along the outlets at the long range is more obvious. The symmetric FCDs installation has a slight effect on the dissymmetric temperature field, simultaneously, the symmetry of the average residence time and the fluid flow pattern has improved, and the fluid flow in the tundish has been more reasonable. In case of a symmetric multistrand tundish having a large volume, the influence of the dissymmetric phenomenon should be considered and the flow behaviors in the whole tundish should be studied completely.     

中间包内非等温流现象研究

在专门设计的二维模型上对非等温流现象的形成条件进行了实验研究,定义了衡量非等温流动出现的准数,并给出了临界值,以用来判断中间包内温度差对钢水流动的影响程度.对中间包非等温流动的形成过程进行了数值模拟,并在40t中间包上做了生产现场的直接测量.结果表明,在正常生产条件下,中间包内流体流动是一个典型的非等温过程.     

兴澄特钢中间包结构优化

以兴澄特钢连铸中间包为工程背景,根据相似原理建立了中间包水模型系统,研究了4流不同结构的中间包的流体流动特性.研究表明:原结构的中间包同一侧的两流之间的流体流动特性存在很大差异,与内侧流相比,外侧流的最小停留时间、峰值时间小,死区体积大,造成中间包内钢液温度不均匀,夹杂物不能有效地上浮去除,不能很好地满足高质量特钢生产的要求.采用优化后的挡墙和坝组合的中间包控流装置,外侧和内侧的停留时间分布趋于一致,表明外侧流和内侧流之间流动特性相近.中间包结构优化后平均死区百分数由原结构的58.2%降低到10.9%.     

钢包长水口形状对中间包内钢液流动特性的影响

通过物理模拟实验研究了在不同的中间包液位时使用喇叭形长水口和直通形长水口对单流板坯中间包内的流体流动特性的影响.实验结果表明:使用喇叭形长水口后的RTD曲线峰值较低,波动较小,流场较稳定,而且不存在短路流;使用喇叭形长水口后更有利于延长流体在中间包内的开始响应时间、平均停留时间和活塞流平均停留时间;中间包内的死区体积较小,活塞流体积较大,而且活塞流与死区体积的比值也更大.因此,在中间包液位上升时,使用喇叭形长水口后包内的流动模式组成更合理,这更有利于保证中间包内钢水的质量.     

五流L型连铸中间包流场优化的水模分析

采用水模型模拟的方法,对某钢厂十机十流连铸机中间包中的一个完全不对称结构的五流L型中间包进行流场优化。试验结果表明:控流最优方案为湍流抑制器T+副导流墙D2+上2孔倾角为25°下靠近后墙单孔倾角30°的3孔主导流墙D1a。采用该方案可使染色剂到达各出口的时间增加,各流响应时间差减小,RTD峰值浓度减小以及高浓度存在的时间延长,各流之间的死区比例减小。     

Dispersive bubble wall—a new method of flow control in tundish

Tundish is the last refractory vessel in the steelmaking process. The fluid flow phenomena in tundish have a strong influence on the separation of non-metallic inclusions. The dispersive bubble wall (DBW) is a new method in tundish metallurgy. A water model of a multi-strand tundish has been set up based on the Froude number and Reynold number similarity criteria. The effect of DBW+weir on the flow pattern has been studied. The results show that this new structure of DBW+weir is beneficial not only to uniform the temperature among different submerge entry nozzles but also to separate non-metallic inclusions from liquid steel. The DBW can capture the particles of non-metallic inclusions and make them float up to the surface.     

外加静磁场离心式中间包的流场数值模拟

中间包的流动形态不仅影响钢液成分及温度的均匀,而且也直接影响夹杂物能否漂浮致钢渣层去除。本文以离心式中间包为对象,采用ANSYS CFX研究了均匀静磁场下中间包的流动形态。结果表明:在外加均匀静磁场情况下,中间包内钢液的流动变得更加稳定,有利于对自由液面波动的控制;随着坝高的增加,80%左右区域的自由液面波动会逐渐趋于零,采用较小的磁感应强度更有利于去除夹杂物。     

扩张型长水口对中间包冲击区钢液流动的影响

建立中间包浇铸过程钢-渣-气多相流数学模型,研究稳态浇铸和换钢包过程非稳态浇铸时,扩张型长水口对中间包冲击区钢液流动行为的影响。结果表明,稳态浇铸时,使用扩张型长水口可以有效减小冲击区内钢液湍动能和液面流速,降低钢液面裸露和钢渣卷混的倾向;换钢包非稳态浇铸时,随着扩张型长水口内径增大,钢液面裸露面积整体逐渐减小,但长水口内径扩张2倍时,会由于排除气体量大,造成钢液面较长时间的裸露;使用内径扩张1.5倍的长水口时,钢液面裸露面积小,没有明显的钢渣卷混,有利于提高钢液纯净度。     

Design optimization of flow control device for multi-strand tundish

The fluid flow phenomena in tundish have a strong influence not only on the uniform of composition and temperature of bath, but also on the separation of non-metallic inclusions, especially for the multi-strand tundish. A water model of a multi-strandtundish has been set up based on the Froude number and Reynold number similarity criteria. The effect of dam+weir and baffle on the uniform of composition and temperature of bath for different nozzles has been studied. The residence time distribution curves of the fluid flow were measured by SG800. Comparing the photos of the flow pattern in tundish, the optimum arrangement of baffle+dam was obtained. This new structure is benefit not only to uniform the temperature among different SENs (submerge entry nozzles) but also to separate the non-inclusions from the liquid steel, it can be widely used in multi-strand tundish.