張 丹,陳 超,張宇星,王社斌,b
(太原理工大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院,b.新材料界面科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024)
由于在工業(yè)煉鋼過程中,鋼包內(nèi)所有的物理化學(xué)反應(yīng)均是在鋼液的流動(dòng)過程中完成,改善鋼包內(nèi)的流場對提高鋼液純凈度、去除夾雜物、均勻化學(xué)成分和溫度等有重要作用[1-3]。因水和高溫鋼液的運(yùn)動(dòng)粘度處于同一數(shù)量級,以相似理論為基礎(chǔ)建立的水模型成為冶金研究工作者獲取有效流動(dòng)數(shù)據(jù)和了解混勻情況的主要方法。在水模型中獲取所需數(shù)據(jù)最常用的方法為“刺激-響應(yīng)”,即在水模型中加入示蹤劑,并在水模型內(nèi)壁放置若干個(gè)測量探針,來測量示蹤劑濃度隨時(shí)間變化的函數(shù)曲線。近年來,學(xué)者們使用“刺激-響應(yīng)”法研究透氣塞位置、多透氣塞的布置、底吹的流量、示蹤劑的加入位置、透氣塞的直徑、水模型頂部有無油層、混勻時(shí)間的判定標(biāo)準(zhǔn)等因素對混勻時(shí)間的影響[4-8]。但在實(shí)驗(yàn)過程中,示蹤劑與水在物理性質(zhì)方面的差異,以及示蹤劑對湍流流場的影響并沒有引起人們的足夠重視。目前廣泛使用的示蹤劑為KCl溶液和NaCl溶液等鹽水類示蹤劑,且飽和KCl溶液示蹤劑的密度為水的1.16倍,具體物理屬性如表1所示。表2為在陳超等[9]研究的基礎(chǔ)上總結(jié)的不同學(xué)者在鋼包水模型中加入示蹤劑的體積比,發(fā)現(xiàn)鹽水類示蹤劑的使用數(shù)量在每升水0.007 6 mL到19.6 mL的范圍內(nèi),二者相差2 600多倍,并且在中間包水模型中證實(shí)[10-11],加入不同劑量KCl溶液示蹤劑對停留時(shí)間的分布(RTD)有較大影響。因此,更不能忽略加入的示蹤劑對水模型中湍流流場的影響。但在水模型實(shí)驗(yàn)中,因加入的KCl溶液示蹤劑無色,則不能直接觀測到示蹤劑在水模型中的運(yùn)動(dòng)情況,這就需要用數(shù)值模擬方法來研究水模型中水的流動(dòng)狀態(tài)。以往學(xué)者用數(shù)值模擬法大量研究鋼包內(nèi)鋼液的流動(dòng)狀態(tài)[12-16]。但關(guān)于加入的示蹤劑對水模型湍流流態(tài)的影響并沒有引起足夠重視,尤其是加入密度較大的鹽水類示蹤劑對流場的影響。
本文用數(shù)值模擬方法研究了被動(dòng)標(biāo)量(無物理屬性的數(shù)值)、純水示蹤劑(與水模型中液相同屬性,示蹤劑的流動(dòng)狀態(tài)代表水模型中真實(shí)的流場分布)和密度較大的KCl溶液示蹤劑在水模型中的傳輸過程,為水模型實(shí)驗(yàn)提供參考依據(jù),并對實(shí)際煉鋼中加入的合金在鋼液中的均勻混合有一定的指導(dǎo)意義。
表1 KCl溶液和水的物理屬性
表2 鋼包水模型中示蹤劑加入情況總結(jié)
本次數(shù)值模擬以實(shí)際煉鋼過程中的130 t鋼包為基礎(chǔ),運(yùn)用相似原理,以幾何參數(shù)之比為1∶5的比例所建立的水模型為建模原型,具體的模型參數(shù)如表3所示。
表3 水模型參數(shù)
具體監(jiān)測點(diǎn)的布置位置、吹氣入口和示蹤劑入口的位置如圖1所示。底吹鋼包水模型采用單孔偏心底吹的方式,N2從鋼包底部入口吹入的位置距底部中心0.055 m,示蹤劑從鋼包頂部正中心的示蹤劑入口加入,在水模型中設(shè)置6個(gè)監(jiān)測點(diǎn),其中頂部(1)、(2)、(3)監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在距液面下150 mm處的壁面,(4)、(5)、(6)監(jiān)測點(diǎn)對應(yīng)于頂部的(1)、(2)、(3)監(jiān)測點(diǎn),設(shè)置在模型底部。
圖1 水模型中監(jiān)測點(diǎn)位置、吹氣位置和示蹤劑加入位置示意圖
1.2.1模型假設(shè)條件
1) 氣液兩相均為不可壓縮的黏性流體,氮?dú)庠谏仙^程中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng);
2) 固體壁面設(shè)為非滑移壁面,在近壁面處應(yīng)用壁面函數(shù);
3) 不考慮溫度的影響;
4) 在模擬過程中默認(rèn)氣泡的尺寸為常數(shù),且在傳輸過程中不發(fā)生聚合和破裂行為。
1.2.2計(jì)算方程
本次模擬首先運(yùn)用歐拉-歐拉多相流模型計(jì)算穩(wěn)態(tài)流場,然后計(jì)算加入的兩類示蹤劑在水模型中的傳輸過程,具體方程如下:
1) 歐拉-歐拉多相流模型
由于使用歐拉-歐拉方法處理的連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程是對每一相進(jìn)行求解,因此在計(jì)算兩相流之前,要先明確每一相的連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程,并且在動(dòng)量方程中,氣相和液相的相互作用力被認(rèn)為是動(dòng)量交換源項(xiàng)。
連續(xù)性方程:
(1)
動(dòng)量方程:
(2)
其中,
μeff=μ+μt.
(3)
μ=Flμl+(1-Fl)μg.
(4)
(5)
(6)
2) 湍流模型
湍流模型用Realizablek-εTwo-Layer (RKE 2L)模型[27-28],通過對湍動(dòng)能k與湍流耗散率ε的求解來獲得有效粘度場。Realizablek-ε(RKE)[27]模型相比于Standardk-ε(SKE)[29]模型,重新定義了湍流耗散率的傳輸方程,對近壁面處的處理更為靈活。RODI[28]提出的兩層模型(2 L)使RKE可以應(yīng)用于粘性邊界層,對湍流流場的模擬更為準(zhǔn)確。湍流方程如下所示:
湍動(dòng)能:
(7)
湍流耗散率:
(8)
其中,
Pk=Gk.
(9)
Pε=Sk.
(10)
(11)
(12)
(13)
在近壁面處,兩層模型的湍流耗散率ε是與壁面距離有關(guān)的函數(shù),即:
(14)
其中,本次模擬兩層模型選取WOLFSTEIN et al[30]提出的剪切驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行計(jì)算,其中,lε為長度尺度函數(shù),如下式所示:
(15)
(16)
(17)
式中:d為液相到壁面的距離;Re為雷諾數(shù)。
3) 示蹤劑傳輸模型
示蹤劑傳輸模型分為被動(dòng)標(biāo)量傳輸模型和組分混合流體模型兩種。被動(dòng)標(biāo)量傳輸模型:被動(dòng)標(biāo)量是一種虛擬的示蹤劑,它沒有物理屬性,僅隨水的流動(dòng)被動(dòng)傳輸,為此,在計(jì)算過程中只計(jì)算一組示蹤劑方程,其流動(dòng)狀態(tài)就代表水模型中水的流動(dòng)狀態(tài)。組分混合流體模型:直接在穩(wěn)態(tài)流場中把加入的KCl溶液示蹤劑和純水(與水模型中液相同屬性)作為示蹤劑,即將歐拉-歐拉多相流模型中的液相分為水相和示蹤劑兩相,運(yùn)用兩組傳輸方程分別計(jì)算。具體方程如下:
(1) 被動(dòng)標(biāo)量傳輸模型
(18)
式中:wscalar為被動(dòng)標(biāo)量質(zhì)量分?jǐn)?shù);有效擴(kuò)散系數(shù)Deff為分子擴(kuò)散系數(shù)與湍流擴(kuò)散系數(shù)之和,即Deff=Dl+Dt.其中,Dl為水分子擴(kuò)散系數(shù),其值為2.216×10-9m2·s-1;湍流擴(kuò)散系數(shù)Dt可用(19)式表示。
(19)
式中:Sct為湍流施密特?cái)?shù),在本研究中取0.9.vt為湍流運(yùn)動(dòng)粘度可由RKE 2L模型計(jì)算。
(2) 組分混合流體模型
(20)
(21)
式中:ww和wT分別為水和示蹤劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù),且ww+wT=1;當(dāng)在水模型頂部入口加入示蹤劑時(shí)wT=1,ww=0,不加示蹤劑時(shí)ww=1,wT=0.
液相密度為水和示蹤劑以體積加權(quán)的方式混合后的密度,可由式(22)計(jì)算:
(22)
式中:ρT為KCl溶液示蹤劑的密度,當(dāng)加入的示蹤劑為純水時(shí),ρT=ρw=997.561 kg·m-3.
1.2.3求解過程
本文使用STAR-CCM+模擬軟件來劃分網(wǎng)格和求解控制方程,具體過程如下:網(wǎng)格劃分:本次共將水模型劃分為258 970個(gè)網(wǎng)格,如圖2所示。
圖2 水模型的網(wǎng)格劃分
邊界條件的設(shè)置:吹氣入口邊界設(shè)置為速度入口,按照氮?dú)饬髁亢偷状低笟馊孛娣e折合為3.53 m·s-1;水模型上表面即氣體出口設(shè)置為壁面,而氣相設(shè)置為相透過,即氣相可以以到達(dá)液面的速度透過模型的上表面流向空氣中,但液相僅能在水模型中流動(dòng),不能透過模型上表面;模型側(cè)壁面和底部設(shè)置為壁面;水模型上表面中心的示蹤劑入口設(shè)置為壁面,僅在加入示蹤劑時(shí)設(shè)置為速度入口。
求解方法:首先用歐拉-歐拉多相流模型迭代計(jì)算穩(wěn)態(tài)流場,當(dāng)流場計(jì)算收斂后,加入一定時(shí)長的被動(dòng)標(biāo)量、純水示蹤劑和KCl溶液示蹤劑分別計(jì)算其在水模型中的傳輸過程,其中示蹤劑的加入時(shí)長由水模型實(shí)驗(yàn)時(shí)示蹤劑的加入量(150 mL)和數(shù)學(xué)模型中示蹤劑入口的截面積、加入速度折合計(jì)算得出。
圖3為穩(wěn)態(tài)時(shí)底吹鋼包水模型中水的速度分布。從圖3(a)可以看出,氮?dú)獠捎闷牡状档姆绞綇乃P偷牡撞咳肟诖等?,在向上運(yùn)動(dòng)的過程中形成氣-液兩相區(qū),且兩相區(qū)的直徑越來越大,呈現(xiàn)為倒錐體形。當(dāng)兩相流上升至水模型上表面后,氮?dú)馀菀绯?,水則從兩相流中心沿上表面向四周流散,并在氣柱兩側(cè)形成兩個(gè)小渦流。從圖3(b)可得,水從中心縱截面處向遠(yuǎn)離偏心側(cè)方向的運(yùn)動(dòng)速度明顯較大。
圖3 底吹鋼包水模型中水相的速度分布
圖4為加入150 mL KCl溶液示蹤劑在監(jiān)測點(diǎn)1處的水模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模擬的無量綱濃度曲線對比圖。從圖中可以看出,兩種濃度曲線均有兩個(gè)峰值,且到達(dá)第一個(gè)峰值的時(shí)間基本相同。由此可得,數(shù)值模擬結(jié)果與水模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對吻合,表明當(dāng)前模型可以用于對底吹鋼包水模型中流體流動(dòng)的模擬。
圖4 物理模擬與數(shù)學(xué)模擬無量綱濃度曲線對比
示蹤劑在水模型中的傳輸過程如圖5所示,可以概括為以下三個(gè)階段。
1) 從示蹤劑入口向下運(yùn)動(dòng),即圖5中傳輸過程1-i:由于加入示蹤劑時(shí)的速度較大,部分示蹤劑從示蹤劑入口垂直向下運(yùn)動(dòng)(如圖5中曲線1-1),隨后由于氣體羽流作用,運(yùn)動(dòng)至偏心側(cè)區(qū)域的小循環(huán)流處循環(huán)運(yùn)動(dòng)(如圖5中曲線1-2).
2) 流向偏心側(cè)壁面,即圖5中傳輸過程2-i:沿上表面呈扇形向偏心側(cè)壁面運(yùn)動(dòng)(如圖5中曲線2-1),并隨著偏心側(cè)的小循環(huán)流運(yùn)動(dòng)至氣柱附近(如圖5中曲線2-2),隨氣柱向上運(yùn)動(dòng)(如圖5中曲線2-3).
3) 沿主循環(huán)流流向遠(yuǎn)離偏心側(cè)壁面,即圖5中傳輸過程3-i:大部分示蹤劑沿上表面向遠(yuǎn)離偏心側(cè)壁面流動(dòng)(如圖5中曲線3-1),并沿著遠(yuǎn)離偏心側(cè)壁面向水模型底部運(yùn)動(dòng)(如圖5中曲線3-2),運(yùn)動(dòng)至底部的示蹤劑一部分沿底部縱截面隨氣柱向上運(yùn)動(dòng)(如圖5中曲線3-3和3-4),另一部分沿著底部壁面運(yùn)動(dòng)至偏心側(cè)區(qū)域(如圖5中曲線3-5),隨后沿壁面向上運(yùn)動(dòng)至小循環(huán)流處與其混合(如圖5中曲線3-6).
示蹤劑的傳輸過程大致可以概括為運(yùn)動(dòng)至上表面的示蹤劑經(jīng)過過程2)和3),最后都隨氣柱向上運(yùn)動(dòng)至上表面,形成循環(huán)流。
圖5 示蹤劑傳輸過程示意圖
圖6為加入不同種類的示蹤劑在水模型中運(yùn)動(dòng)相同時(shí)間的縱截面質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖(被動(dòng)標(biāo)量和純水示蹤劑在水模型中的傳輸規(guī)律基本相同,不予討論)。a系列為純水示蹤劑;b系列為KCl溶液示蹤劑。從圖中可以看出,示蹤劑在水模型中的傳輸可以分為6種狀態(tài):Status 1,如圖6(b3)和(a4)所示,加入的兩類示蹤劑均沿著主循環(huán)流傳輸至遠(yuǎn)離偏心側(cè)區(qū)域的底部;Status 2,如圖6(b4)和(a7)所示,加入的兩類示蹤劑均沿水模型底部運(yùn)動(dòng)至氣柱周圍;Status 3,如圖6(b5)和(a8)所示,加入的兩類示蹤劑均沿水模型底部運(yùn)動(dòng)至偏心側(cè)區(qū)域;Status 4,如圖6(b6)和(a9)所示,加入的兩類示蹤劑均沿偏心側(cè)壁面向上傳輸至小循環(huán)流處,并隨小循環(huán)流循環(huán)運(yùn)動(dòng);Status 5,如圖6(b7)和(a10)所示,加入的兩類示蹤劑均隨小循環(huán)流循環(huán)運(yùn)動(dòng)至氣柱附近,隨氣柱向上運(yùn)動(dòng)至上表面;Status 6代表加入的兩類示蹤劑均達(dá)到完全混勻的狀態(tài)。
表4為加入的兩類示蹤劑均到達(dá)如上6種相應(yīng)狀態(tài)的時(shí)間對比。從表中可知,相對于加入的純水示蹤劑,KCl溶液示蹤劑到達(dá)相應(yīng)狀態(tài)的時(shí)間較短,且在完全混勻前,純水示蹤劑和KCl溶液示蹤劑到達(dá)相應(yīng)狀態(tài)的時(shí)間比差異不大,均在1.7左右,表明兩種示蹤劑傳輸過程的演變規(guī)律及其變化節(jié)奏相似。但在完全混勻時(shí),上述時(shí)間比下降至1.145,表明兩種示蹤劑傳輸過程的規(guī)律有所變化。究其原因,在這一階段KCl溶液示蹤劑的傳輸過程變慢,由圖6(b8)-(b10)可知,KCl溶液示蹤劑在偏心側(cè)底部的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,可能是存在“死區(qū)”,影響了示蹤劑在水模型中的均勻混合。
(ai) 純水示蹤劑;(bi) KCl溶液示蹤劑
表4 兩類示蹤劑運(yùn)動(dòng)至相同狀態(tài)時(shí)的時(shí)間對比
圖7為加入的純水示蹤劑和KCl溶液示蹤劑在水模型底部氣柱和偏心側(cè)之間區(qū)域局部放大的速度云圖,從圖中可知,兩種方案中水模型中的偏心側(cè)底部均存在局部回流區(qū),在加入純水示蹤劑的方案中,其局部回流區(qū)的流場基本不變。而在加入KCl溶液示蹤劑的方案中,KCl溶液運(yùn)動(dòng)至偏心側(cè)區(qū)域時(shí),對局部回流區(qū)的流場有較大影響:加入40.4 s時(shí),兩種方案中局部回流區(qū)的流場分布相似;加入49.4 s時(shí),局部回流區(qū)區(qū)域向氣柱方向擴(kuò)大;加入65 s和79.4 s時(shí),局部回流區(qū)區(qū)域明顯擴(kuò)大。如圖6(b7)-(b10)中的圓圈所示,KCl溶液示蹤劑在偏心側(cè)底部局部回流區(qū)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大,且其在局部回流區(qū)的停留時(shí)間較長,形成“死區(qū)”,影響其在水模型中的混勻過程。
圖8為純水示蹤劑和KCl溶液示蹤劑接近混勻時(shí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖。如圖8(a)所示,純水示蹤劑在遠(yuǎn)離偏心側(cè)底部最先到達(dá)局部混勻狀態(tài),隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間的增長,最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小,達(dá)到局部混勻狀態(tài)的區(qū)域逐漸擴(kuò)大。由于示蹤劑在遠(yuǎn)離偏心側(cè)區(qū)域的濃度較大,在隨氣柱向上運(yùn)動(dòng)的過程中,在氣柱和遠(yuǎn)離偏心側(cè)區(qū)域最先達(dá)到局部混勻;隨后沿氣柱運(yùn)動(dòng)至上表面的示蹤劑運(yùn)動(dòng)至偏心側(cè)的小循環(huán)流處,使偏心側(cè)的小循環(huán)流處達(dá)到局部混勻;最后沿水模型底部流動(dòng)至偏心側(cè)壁面,并沿其壁面向上流動(dòng)至小循環(huán)流處,使示蹤劑在水模型中達(dá)到完全混勻。而從圖8(b)中可知,加入的KCl溶液示蹤劑僅在偏心側(cè)底部“死區(qū)”的濃度較大(圖中圓圈),在隨流場運(yùn)動(dòng)的過程中不斷混勻。一部分示蹤劑從“死區(qū)”沿其壁面向上運(yùn)動(dòng)至小循環(huán)流的過程中,不斷混勻;另一部分示蹤劑運(yùn)動(dòng)至氣柱附近,隨氣柱向上運(yùn)動(dòng)的過程中,在氣柱和遠(yuǎn)離偏心側(cè)區(qū)域不斷混勻,最后沿氣柱上升至上表面的示蹤劑運(yùn)動(dòng)至遠(yuǎn)離偏心側(cè)區(qū)域,使示蹤劑在水模型中完全混勻。
(a) 純水示蹤劑 (b) KCl溶液示蹤劑
(a) 純水示蹤劑;(b) KCl溶液示蹤劑
圖9為兩類示蹤劑在水模型頂部和底部監(jiān)測點(diǎn)的濃度-時(shí)間曲線對比圖。從圖中可知,純水示蹤劑和被動(dòng)標(biāo)量的濃度曲線完全重合,因此本次僅對比純水示蹤劑和KCl溶液示蹤劑的濃度曲線,且頂部監(jiān)測點(diǎn)均在15 s左右到達(dá)第一個(gè)峰值。
從圖9可知,示蹤劑在底部監(jiān)測點(diǎn)均只有一個(gè)峰值,由于KCl溶液密度比水大,KCl溶液示蹤劑沿主循環(huán)流向下傳輸至底部,并沿底部壁面運(yùn)動(dòng)至偏心側(cè)底部的速度較快,因此在底部監(jiān)測點(diǎn),KCl溶液示蹤劑均比純水示蹤劑先到達(dá)峰值,且監(jiān)測點(diǎn)5、監(jiān)測點(diǎn)6、監(jiān)測點(diǎn)4到達(dá)峰值的時(shí)間不斷增加。相對于監(jiān)測點(diǎn)4和6,監(jiān)測點(diǎn)5中的KCl溶液示蹤劑的濃度-時(shí)間曲線在45 s~75 s之間下降緩慢,這是由于運(yùn)動(dòng)至偏心側(cè)底部壁面“死區(qū)”的KCl溶液示蹤劑,從局部回流區(qū)沿偏心側(cè)壁面向上的傳輸速度較慢,如圖6(b6)至(b9)所示,影響了示蹤劑在水模型中的混勻。
表5為純水示蹤劑和KCl溶液示蹤劑在各監(jiān)測點(diǎn)的混勻時(shí)間(95%標(biāo)準(zhǔn))對比,其中頂部和底部的混勻時(shí)間分別為其對應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)混勻時(shí)間的平均值。從表中可以看出,兩類示蹤劑在頂部監(jiān)測點(diǎn)的混勻時(shí)間均比底部監(jiān)測點(diǎn)的混勻時(shí)間短,純水示蹤劑和KCl溶液示蹤劑在水模型頂部的混勻時(shí)間分別為85.64 s和80.78 s,在水模型底部的混勻時(shí)間分別為129.35 s和109.43 s,兩種示蹤劑在水模型
圖9 兩類示蹤劑在底部監(jiān)測點(diǎn)濃度曲線對比
表5 兩類示蹤劑在各監(jiān)測點(diǎn)混勻時(shí)間對比
頂部和底部混勻時(shí)間的比值分別為1.060和1.182.綜上可知,相對于純水示蹤劑,KCl溶液示蹤劑在水模型的頂部和底部均較快地完成混勻過程。
本文使用歐拉-歐拉多相流模型,研究了底吹氬鋼包水模型中被動(dòng)標(biāo)量、純水示蹤劑(與水模型中液相同屬性)、KCl溶液示蹤劑的擴(kuò)散傳輸過程,從不同時(shí)間的縱截面質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖和各監(jiān)測點(diǎn)的濃度-時(shí)間曲線綜合分析,可以得出如下結(jié)論:
1) 被動(dòng)標(biāo)量和純水示蹤劑的傳輸規(guī)律基本相同,且示蹤劑在各監(jiān)測點(diǎn)的濃度-時(shí)間曲線完全吻合。
2) 相比于純水示蹤劑,密度大于水的KCl溶液示蹤劑較快地沿水模型主循環(huán)流向水模型底部傳輸,并沿水模型底部向氣柱和偏心側(cè)區(qū)域運(yùn)動(dòng),隨后沿偏心側(cè)壁面向上傳輸至小循環(huán)流,但由于偏心側(cè)底部壁面“死區(qū)”的存在,示蹤劑在此區(qū)域停留時(shí)間較長,沿偏心側(cè)壁面向上傳輸過程有所延緩。
3) 純水示蹤劑和KCl溶液示蹤劑在縱截面質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖中到達(dá)完全混勻時(shí)的時(shí)間分別為174.44 s和152.34 s;在水模型頂部監(jiān)測點(diǎn)的混勻時(shí)間(95%標(biāo)準(zhǔn))分別為85.64 s和80.78 s;在水模型底部監(jiān)測點(diǎn)的混勻時(shí)間分別為129.35 s和109.43 s,綜上可知,相對于純水示蹤劑,KCl溶液示蹤劑在水模型中較快地完成混勻過程。